[發明專利]一種反向擴散技術制備水滑石復合膜的方法

在審

• 申請號: 201710245830.4
• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN106914144A
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發明（設計）人: 王乃鑫;李曉婷;黃政;安全福;紀淑蘭
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B01D67/00
• 分類號: B01D67/00;B01D69/12;B01D71/02;B01D61/36
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 張立改

技術領域

本發明涉及一種反向擴散技術制備水滑石復合膜的方法，用于滲透汽化有機物脫水，屬于膜分離領域。

背景技術

滲透汽化膜過程是一種將液體混合物進行分離，提純，濃縮的分離技術。其中膜的上游側與進料液接觸，下游側采用尾氣吹掃或真空等方式形成負壓條件，進料液的分子在膜兩側化學位差的驅動下透過膜的分離層。滲透汽化膜分離技術對分子體積相近或沸點相近的體系有良好的分離效果，例如有機溶劑脫水，水中脫除有機溶劑，有機混合溶液的分離。由于其技術特點，要求分離層為致密膜材料。目前，可以用作制備滲透汽化致密膜的材料主要包括有機材料(高分子聚合物等)和無機材料(陶瓷，沸石分子篩等)兩大類。

水滑石是一類本身具有固定層間距的無機二維材料。由于其層間的陰離子具有可交換性，易于精確調控層間距等優勢成為近年來發展迅速的一類黏土材料。目前制備水滑石的方法有：共沉淀法、離子交換法、焙燒還原法、尿素法等。本發明提供了一種反向擴散技術制備水滑石復合膜的方法，用于滲透汽化有機物脫水，可以實現水滑石在基底均勻生長且尺寸均一，有效克服很多無機材料在多孔基底難于成核等問題。通過該種方法制備的分離膜可以使水滑石在多孔基底形成致密連續的分離層并且與基底的結合力良好，有利于增強膜的運行穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用反向擴散技術在多孔基底表面及內部生長水滑石制備水滑石復合膜的技術。將形成水滑石所需的兩種金屬離子的溶液分別置于基底的兩側，使兩種金屬離子通過基膜的孔道擴散相遇并發生化學反應，通過調控兩種金屬離子的摩爾比，溶液的濃度，合成時間，合成溫度，后處理干燥溫度等條件，調節水滑石在基膜表面生成的數量、尺寸及形貌。最后使水滑石在基底形成厚度較薄且致密連續的分離層，用于滲透汽化有機物脫水的分離過程。

該方法包括以下步驟：

(1)對多孔基膜進行預處理，先將基底浸泡于酸溶液中一段時間，用去離子水沖洗并超聲震蕩，去除膜孔內殘余的酸；

(2)將酸洗過后的陶瓷基底浸泡于堿溶液中一段時間，用去離子水沖洗并超聲震蕩，去除膜孔內殘余的堿，調節基膜表面的pH至中性，之后將陶瓷基底放置于一定溫度的烘箱內干燥待用；

(3)將合成水滑石的金屬離子鹽中的一種或兩種溶于A溶劑，形成A溶液；將合成水滑石的金屬離子鹽中的另一種或兩種溶于B溶劑，形成B溶液；在A溶液或/和B溶液中加入尿素和氟化銨，形成A前驅體溶液或/和B前驅體溶液，靜置脫泡；A前驅體溶液和B前驅體溶液之間總金屬離子濃度有濃度差；

(4)將兩種前驅體溶液分別置于多孔基膜的兩側；在80℃～300℃下，使兩種前驅體溶液中的金屬離子通過基膜的孔道結構擴散相遇并發生化學反應，在基膜的表面及孔內形成水滑石；

(5)將步驟(4)制備的水滑石復合膜放入40℃～150℃真空烘箱內干燥；

(6)重復(3)～(5)步驟0～10次，在多孔基膜表面及孔內部形成單層或多層水滑石分離層。

在本發明中所述的能夠合成水滑石的兩種或三種及以上金屬離子選擇：Zn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Ni²⁺、Fe³⁺，所用的溶劑A、溶劑B均選擇：去離子水、有機溶劑，例如有機溶劑選擇醇類、丙酮、N-N二甲基甲酰胺等。

前驅體溶液A與B中金屬離子總的摩爾濃度分別均為0.01-100mmol/L，尿素的濃度0.001-10g/L，氟化銨的濃度0.001-10g/L。步驟(4)中反向擴散時間為1h～30h，反向擴散溫度為80℃～300℃。

所用的商業用的多孔基膜為超濾膜、微濾膜、陶瓷膜，鎳片等，膜材料為二氧化硅、氧化鋯、氧化鋁等，所述的多孔膜組件為平板式、三維管式、中空纖維式，所述的多孔膜孔徑為1納米～100微米。

本發明技術方案的原理是：將水滑石的前驅體溶液分別置于基膜的兩側，通過調節兩種金屬離子的摩爾比、濃度差、反應時間、反應溫度、后處理溫度，通過化學鍵合作用使前驅體溶液在基膜表面及內部生成水滑石。通過此方法制備的分離膜可有效克服無機顆粒在基底上難于成核的問題，且無機顆粒在膜表面生長均勻，粒徑均一。

與現有技術相比，本發明具有以下優勢：

一、在滲透汽化分離領域，水滑石作為分離材料在多孔基底上形成的分離層較薄且致密無缺陷。