[發明專利]一種熱穩定、超疏水的陶瓷-碳納米管復合膜及其膜蒸餾水處理應用

有效

• 申請號: 201710217392.0
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN107096393B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 董應超;馬麗寧;朱麗;司一然;楊鳳林
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D69/12;B01D69/02;B01D67/00;B01D61/36;C02F1/44;C02F1/469;C02F103/08
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 楊翠翠

一種熱穩定、超疏水陶瓷?碳納米管復合膜及其膜蒸餾水處理應用，其屬于無機膜的技術領域。該復合膜的制備采用化學氣相沉積法，以陶瓷中空纖維膜為載體，通過改變不同的制備條件，如催化劑負載量、反應溫度和反應時間，控制碳納米管的結構、負載量和負載狀態，能夠得到不同結構和性能的陶瓷?碳納米管中空纖維復合膜。通過對制備條件的調控優化，得到熱穩定、超疏水的碳納米管完全覆蓋結構的復合膜。該復合膜能夠通過膜蒸餾實現海水淡化、高鹽廢水零排放和其他廢水的高效處理（如電鍍重金屬廢水、印染廢水和抗生素廢水等），具有良好的膜蒸餾性能。

技術領域

本發明涉及一種熱穩定、超疏水陶瓷-碳納米管復合膜及其膜蒸餾水處理應用，其屬于無機膜的技術領域。

背景技術

隨著全球經濟的發展和人口爆炸式增長，對水資源的需求不斷增加。中國人均淡水量僅為世界的1/4，被列入世界上13個最貧水的國家之一。可利用淡水資源僅占地球水資源的十萬分之七，而海水占97.3%，因此，海水和苦堿水淡化是目前也是將來滿足工業和生活用水需求的重要選擇。同時源自化工、冶金、電鍍、石油和天然氣等工業過程的工業高鹽廢水（總含鹽質量分數至少1%的廢水）中含有高濃度無機鹽（Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Ca²⁺等），如果直接排放，危及生態環境的同時還浪費水和鹽類資源，常規處理方法中鹽水濃度不能過高，亟待開發高鹽廢水的零排放處理技術。膜法海水淡化是實現淡水資源開源增量的主要途徑之一。現有的膜法海水淡化技術主要有反滲透（RO）、電滲析（ED）、滲透蒸發（PV）、多效蒸發（MED）、多級閃蒸（MFS）和機械式蒸汽再壓縮（MVR）等。雖然反滲透技術是目前主要的海水淡化技術（濃縮上限為~70-90g/L），運行成本較低，但是因為運行過程中鹽度的升高會導致操作壓力升高和膜污染等問題，其產生的濃水尚達不到直接工業利用的水平，只能直接排海，否則會造成環境污染，且反滲透不適用于高鹽廢水的淡化。電滲析（ED）的脫鹽效率尚且不足，且由于海水電導率較高，造成電流效率低，運行成本能耗高。另外，電滲析易造成電解水和電極板的電化學腐蝕，對于高濃度含鹽廢水的處理也有一定難度（濃縮上限為~200g/L）。滲透蒸發（PV）是一種適用于高濃度海水淡化的技術，且處理效果理想，廣泛應用于中東地區，但是其操作溫度較高，能耗需求量較大。多效蒸發（MED）、多級閃蒸（MFS）和機械式蒸汽再壓縮（MVR）存在著投資和運行成本高和裝置不耐腐蝕等問題。

膜蒸餾（MD）是膜技術與蒸餾過程相結合的膜分離過程，它以疏水微孔膜為介質，在膜兩側蒸氣壓差的作用下，料液中揮發性組分以蒸氣形式透過膜孔，從而實現分離的目的。與其他分離過程相比，膜蒸餾具有分離效率高、操作條件溫和、對膜與原料液間相互作用及膜的機械性能要求不高等優點。膜蒸餾技術是一種可以利用低溫余熱或廢熱實現海水、高濃度鹽水或污水淡化的膜技術手段，理論上其能達到100%的回收，從而實現高鹽水的零排放。隨著低階余熱受到越來越多的重視，為膜蒸餾技術的能耗問題提供了解決途徑，使得膜蒸餾在海水淡化和高鹽水處理領域中的應用前景愈加廣闊。對于膜蒸餾，分離膜的性質決定海水淡化和高鹽水處理的效果以及設備運行時間和成本。首先，蒸餾膜需要具備良好的疏水性（超疏水性最優），這樣可以防止液體進入膜孔道，并在固液界面形成蒸汽層；其次，蒸餾膜需具備高的孔隙率和適宜的膜孔徑(100-300nm)減少膜阻力，以便水蒸氣順利透過膜體進入冷凝側；最后，蒸餾膜還需具備良好的物化穩定性、 耐溫性和抗潤濕以及抗污染能力，保證其在海水淡化和高鹽廢水處理過程中維持良好的脫鹽率和膜通量。目前，市場上的蒸餾膜主要為有機聚合物膜，如聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等，此類膜存在熱穩定性、化學穩定性不足和膜污染等問題，導致長期運行時膜結構和性能的不同程度衰減，且商用有機聚合物膜并沒有根據膜蒸餾操作條件進行設計，其膜蒸餾性能有待提高。因此，開發可用于海水淡化及高鹽廢水膜蒸餾的高性能新型膜材料具有重要的意義。