[發(fā)明專利]基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜及制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710095479.5
• 申請(qǐng)日: 2017-02-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106925138A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王立國(guó);王秀菊;何芳;王仲鵬;劉思全;許偉穎;侯凱;周凱麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)南大學(xué)
• 主分類號(hào): B01D71/16
• 分類號(hào): B01D71/16;B01D69/06;B01D67/00;B01D61/00
• 代理公司: 濟(jì)南譽(yù)豐專利代理事務(wù)所(普通合伙企業(yè))37240
• 代理人: 李茜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高分子平板式正滲透膜及其制備方法，特別是涉及一種基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜及制備方法。

背景技術(shù)

水資源的匱乏和日益嚴(yán)重的水污染已成為制約社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，新水源開(kāi)發(fā)和廢污水資源化利用也成為全球普遍關(guān)注的問(wèn)題。由于地球上海水資源極為豐富，且產(chǎn)生大量的廢污水，海水淡化和污水資源化已成為解決水資源危機(jī)的戰(zhàn)略選擇。在諸多的污水資源化技術(shù)中，膜分離技術(shù)是最好的選擇之一。作為為解決這一關(guān)鍵問(wèn)題而誕生的低能耗、高水回收率的正滲透技術(shù)成了海水淡化和污水資源化領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，對(duì)解決水資源短缺問(wèn)題有著重要的戰(zhàn)略意義。

正滲透(forward osmosis，F(xiàn)O)是一種依靠膜兩側(cè)滲透壓驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)，正日益受到重視，相關(guān)的理論和應(yīng)用研究取得了較大的進(jìn)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于海水淡化、廢水處理、食品醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域。目前，常見(jiàn)的正滲透膜主要有三醋酸纖維素膜、二醋酸纖維素膜、聚苯并咪唑膜、聚酰胺復(fù)合膜等，商業(yè)化程度不高主要是缺乏性能良好的正滲透膜和適宜的驅(qū)動(dòng)液，而正滲透膜是整個(gè)正滲透過(guò)程的關(guān)鍵所在。高性能的正滲透膜與其材料性質(zhì)和膜的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可見(jiàn)性能優(yōu)良的膜材料和正滲透膜制備方法尤為重要。常見(jiàn)的正滲透膜制備方法有界面聚合法、雙選擇層膜制備法和納濾膜改性三種。界面聚合法制備的正滲透復(fù)合膜內(nèi)濃差極化較嚴(yán)重；雙選擇層膜有效減小了內(nèi)濃差極化，但制備工藝較為復(fù)雜；納濾膜改性膜對(duì)單價(jià)鹽的截留率和水通量均較低；因此，需要開(kāi)發(fā)新的正滲透膜制備工藝以提高正滲透膜的分離性能。

上個(gè)世紀(jì)60年代，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始了正滲透技術(shù)的研究，采用已有的反滲透膜或納濾膜進(jìn)行正滲透的應(yīng)用研究，結(jié)果證明現(xiàn)有的反滲透膜或納濾膜難以用于正滲透過(guò)程，但同時(shí)也證明了正滲透膜的性能與膜材料、膜結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；隨后，諸多膜科技工作者開(kāi)始了正滲透膜制備的基礎(chǔ)研究。研究結(jié)果表明，通過(guò)選擇合適的膜材料、膜制備工藝，可以制備性能優(yōu)良的正滲透膜。我國(guó)正滲透技術(shù)的研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)對(duì)正滲透技術(shù)的研究，無(wú)論是膜制備還是膜過(guò)程研究，仍處于探索階段。一些膜科研工作者探索了纖維素類正滲透膜的制備條件，研究了各種因素對(duì)正滲透膜性能的影響，但尚未制備出可商業(yè)化的性能優(yōu)良的正滲透膜；正滲透膜的制備和應(yīng)用研究仍然任重而道遠(yuǎn)。分別前期的研究啟示我們，利用共混技術(shù)改性膜材料，有望提高正滲透膜的水通量、截鹽率、機(jī)械性能和耐污染性能。發(fā)明專利ZL201410770001.4、201510245514.8和ZL201410769752.4、201510245504.4分別采用納米二氧化鈦和石墨烯與醋酸纖維素共混制備平板式和中空纖維正滲透膜，所制備正滲透膜的分離性能和滲透性能得到了較大幅度的提高；但通過(guò)選擇合適的材料，仍可對(duì)所制備正滲透膜的水通量進(jìn)行進(jìn)一步的提高，滿足商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用需求。

碳納米管是以sp²共價(jià)鍵構(gòu)成的一種理想的一維量子材料，具有很高的楊氏模量和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，耐熱、耐蝕性，輕度易加工性等多種優(yōu)良性能，可望用于各個(gè)材料領(lǐng)域；如多壁碳納米管基于其高度的生物相容性和大的比表面積而應(yīng)用于分離膜的制備中。有科研人員把改性后的碳納米管添加到膜的活性層來(lái)制備超濾膜以提高他們的親水性；也有人通過(guò)把改性后的碳納米管嵌入到表層制備了反滲透膜，使其水通量明顯上升，而截留率沒(méi)有較大幅度的下降，并提高了膜的抗污染性。因此，如將改性后的碳納米管與醋酸纖維素共混制備正滲透膜，也有望在獲得高水通量、截鹽率的同時(shí)，也使正滲透膜產(chǎn)品具有耐污染性，這為正滲透膜材料的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用推廣提供了新的思路。

如何在得到親水性質(zhì)的同時(shí)，又使正滲透膜具有抗污染性和保持水通量的穩(wěn)定性，這是近年來(lái)膜科技工作者一直在思索和研究的難題。本發(fā)明采用改性碳納米管即羧基化碳納米管改善正滲透膜的結(jié)構(gòu)和滲透性能、分離性能的研究，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供該平板式正滲透膜的制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于羧基化碳納米管的高性能平板式正滲透膜，是由以下質(zhì)量百分比的物質(zhì)組成的：聚合物膜材料7.0%～20.0%（w/w）、致孔劑---致孔劑A 1.0%～9.0%（w/w）和致孔劑B 3.0%～11.0%（w/w）、羧基化碳納米管0.05%～2.0%（w/w）、溶劑58.0%～88.95%（w/w）；