[發(fā)明專利]一種分層設(shè)計提高復(fù)合碳納米材料低壓膜性能的方法

有效

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• 申請日: 2020-03-14
• 公開（公告）號: CN111249912B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭瑾;薛小雷;馬燕林;欒桂榮
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B01D61/14
• 分類號: B01D61/14;B01D67/00;B01D69/06;B01D71/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明提供一種上下分層設(shè)計制備復(fù)合碳納米材料低壓膜的方法。該方法可以提高復(fù)合碳納米材料低壓膜去除污染物的性能和膜的力學(xué)性能，屬于納米材料與環(huán)境工程技術(shù)的交叉領(lǐng)域。本發(fā)明選用兩種分散劑分別制備多壁碳納米管懸濁液，并進行超聲處理使其分散均勻，采用分層設(shè)計的理念，將兩種多壁碳納米管懸濁液按照體積比例，利用加壓過濾的方式，逐層制備雙層碳納米材料低壓膜。制備的表層疏松、底層致密的復(fù)合碳納米材料低壓膜，在保證較大通量的同時，有效提高了復(fù)合碳納米材料低壓膜去除污染物的性能和膜的力學(xué)性能，在水處理中有一定的應(yīng)用前景。本方法操作簡單可行，易于實現(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計的表層疏松、底層致密的上下分層方式制備復(fù)合碳納米材料低壓膜的技術(shù)，屬于納米材料與環(huán)境工程技術(shù)的交叉領(lǐng)域。

背景技術(shù)

膜分離技術(shù)是根據(jù)混合物的物理特性進行分離的一種污水處理工藝，相比較傳統(tǒng)的污水處理方法，因其具有工藝簡單、占用空間小、耗能低、無二次污染等特點而被廣泛應(yīng)用。

根據(jù)膜材料的不同，膜技術(shù)可以分為有機膜和無機膜兩大類。有機膜也稱為高分子分離膜，是由聚合物或高分子復(fù)合材料制得的具有分離流體混合物功能的薄膜，通常包括醋酸纖維素、聚醚砜、氟聚合物等成膜材料，具有柔韌性與成膜性能好，分離效率高，能耗少等優(yōu)點。無機膜是以無機材料作為分離介質(zhì)的滲透膜，主要有陶瓷膜、沸石膜、金屬膜等，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫、耐污染能力強、機械性好、孔徑分布窄、易于實現(xiàn)膜再生等優(yōu)點，目前無機膜污水處理工藝主要以陶瓷膜為代表。

低壓膜(Low-pressure membrane，LPM)過濾技術(shù)的運行工作壓力為1-2bar以下，由于其能耗低以及對微生物和顆粒污染物的去除率較高而受到廣泛的關(guān)注。采用有機高分子聚合材料或無機陶瓷材料制備的傳統(tǒng)低壓膜，由于自身孔徑大小的限制，對有機污染物的去除效果不佳，并且力學(xué)性能有所缺陷。有機膜雖然有一定的柔韌性，但是有機膜材料與大多數(shù)有機溶劑、有機污染物等均有非極性或弱極性特點，這就造成了有機膜易受到有機料液和化學(xué)試劑的污染，易被壓實，穩(wěn)定性與機械強度較差，大大降低使用壽命。無機陶瓷膜的陶瓷材料是通過離子鍵和共價鍵結(jié)合構(gòu)成，缺少獨立的滑移系統(tǒng)，位錯產(chǎn)生和運動困難，使材料很難發(fā)生變形，脆性很大，可靠性低。同時陶瓷材料對內(nèi)部缺陷十分敏感，如果內(nèi)部一旦有裂紋產(chǎn)生，裂紋就會迅速擴展，使材料發(fā)生突然性斷裂，影響陶瓷材料的正常使用。

自從碳納米管(Carbon Nanotubes，CNT)在1991年被發(fā)現(xiàn)以來(Nature，1991，354:56–58.)，由于其極大的比表面積、極高的長徑比和優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、輸送和吸附等性能而被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

碳納米管膜，也稱碳納米管巴基紙(Buckypaper，BP)，是依靠管與管之間的范德華力形成的相互纏繞的碳納米管自支撐結(jié)構(gòu)薄層，是一種無機膜，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，目前主要應(yīng)用在傳感器、電容器、燃料電池等領(lǐng)域。此外，由于碳納米管膜具有較高的滲透能力和吸附性能，在水處理中也越來越受到人們的關(guān)注。

碳納米管膜制備成功的關(guān)鍵是碳納米管分散均勻。目前，常用于分散碳納米管的分散劑包括：超純水、乙醇和曲拉通X-100等。超純水和乙醇對碳納米管的分散效果不佳，制備的碳納米管膜相對通量較大，孔隙率較大，膜層疏松，對污染物的去除能力有限。曲拉通X-100分散碳納米管的效果較好，孔隙率較小，膜層致密，但成膜后難于清洗，膜通量普遍較低、過膜阻力大。本發(fā)明提供的分層設(shè)計制備復(fù)合碳納米材料低壓膜的方法，旨在降低過膜阻力、減少能耗，保證復(fù)合碳納米材料低壓膜較大通量的同時，提高復(fù)合碳納米材料低壓膜去除污染物的性能和膜的力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前碳納米管膜存在的不足，本發(fā)明提供一種分層設(shè)計提高復(fù)合碳納米材料低壓膜性能的方法，包括如下步驟：

(1)碳納米管懸濁液的制備：將碳納米管分別加入乙醇或曲拉通X-100溶液中，超聲處理使其分散均勻。