[發明專利]一種二維層狀復合膜及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202110553664.0
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113083036A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 龍慶武;劉兆清;陳杰鑫;王依釩
• 申請（專利權）人: 廣州大學
• 主分類號: B01D69/12
• 分類號: B01D69/12;B01D67/00;B01D69/10;B01D61/00
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 胡輝

本發明公開了一種二維層狀復合膜及其制備方法與應用，所述二維層狀復合膜包括基膜；二維納米片，所述二維納米片垂直設置于所述基膜表面，形成納米片層；納米球，所述納米球分散在所述納米片層之間。本發明制備的二維層狀復合膜，通過正負靜電組裝達到改善膜層狀通道的穩定性，進而保證穩定的納濾分離性能；利用不同尺寸大小的納米球可以有效調控層狀通道尺寸大小，使得膜孔正好可以截留離子和分子，從而有效解決水通量大時分子離子截留效果差的問題，而且還能降低分離過程中能源消耗；同時引入親水納米球以達到增強抗污垢、抗菌能力，從而有效降低膜污染和膜降解。

技術領域

本發明屬于分離膜技術領域，具體涉及一種二維層狀復合膜及其制備方法與應用。

背景技術

人口增長和環境惡化迫使人們發展先進的水處理技術來實現高效低能耗生產飲用水和凈化工業廢水。膜分離包括反滲透、正滲透、膜蒸餾、微濾、超濾、納濾等技術，其中，納濾是介于超濾和反滲透的壓力驅動的膜分離技術。目前反向滲透已經實現污水凈化和海水淡化，但反向滲透是一種高耗技術且水恢復率低。相較于反滲透，納濾能夠以更低的能耗除去水中的二價離子及有機分子，對緩解淡水供應具有積極意義。納濾僅需較低的外界壓力即可實現水的分離過程，并且納濾膜依賴電荷排斥、膜孔篩分、層狀通道進行分離，水的回收率高，節能環保，是一種極具潛力的環境友好型技術。廣泛用于廢水處理，海水淡化、食品果汁濃縮、藥物控制與釋放等領域。

二維層狀膜是近些年新興的一種納濾膜，其不僅可能通過電荷排斥和膜孔篩分原理進行分離，還可以通過層狀通道對水中物質進行截留。具有比傳統高分子納濾膜更高的水通量更高的分子離子截留率。目前二維層狀膜材料主要有氧化石墨烯、二硫化鉬、過渡金屬碳化物、石墨相氮化碳、層狀過渡金屬氫氧化物等；這些二維納米層狀材料通過不同的途徑和工藝堆疊形成二維層狀膜，制備過程簡單。在于水處理過程中，傳統高分子膜的滲透通量約10LMH/bar，而二維層狀膜的通量是前者的數倍，普遍大于30LMH/bar，并且保持對二價離子和有機分子保持90％以上截留率。但現有技術中純二維材料膜在外壓力作用下，二維材料容易壓縮，導致層狀通過變小，最終導致水通量不斷衰減。為解決純二維材料膜自身結構不穩定性的問題，通常使用內嵌材料(如納米粒(納米氧化鋁、二氧化硅、層狀過渡金屬氫氧化物)、納米片、晶體材料等)支撐二維納米片，使層狀通道保持在一定范圍，從而達到穩定的分離性能。這些工藝包括多巴胺修飾、原位生長金屬有機共價框架材料、或者兩種不同的二維組裝制備復合二維層狀膜，但這些二維層狀膜制備工藝復雜，難以精細調控層狀通道大小。而且材料穩定性差，有機材料還容易被水中的微生物降解，無抗菌能力，長時間使用后膜表面易產生生物污垢，嚴重導致膜孔堵塞和膜生物降解，進而影響膜分離性能和使用成本。此外，已知的大部分二維材料易脫落不宜進行大規模使用。目前的實踐證實納米粒與納米片能夠進行納米級別的自組裝成膜，可以實現亞納米級層狀通道調控，而且制備工藝簡單，納米粒與二維納米片自組裝還能夠有效增強膜的物理穩定性，保證穩定的膜分離性能，而且納米片和納米粒還具有一定的抗菌能力，還能有效降低回收過程中的能源消耗，更重要的是，目前還沒有通過利用納米粒與二維納米片自組裝來調控層狀通道這一簡單工藝的研究。

相關技術中制備的純二維材料膜在外壓力作用下，二維材料容易壓縮，導致層狀通過變小，最終導致水通量不斷衰減；二維層狀膜制備工藝復雜，難以精細調控層狀通道大小，而且材料穩定性差，有機材料還容易被水中的微生物降解，無抗菌能力，長時間使用后膜表面易產生生物污垢，嚴重導致膜孔堵塞和膜生物降解，進而影響膜分離性能和使用成本；已知的大部分二維材料易脫落不宜進行大規模使用。

發明內容

本發明旨在至少解決上述現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提出一種二維層狀復合膜，能夠通過納米級別的自組裝成膜來實現亞納米級層狀通道調控。

本發明還提出具有上述二維層狀復合膜的制備方法。

本發明還提出上述二維層狀復合膜的應用。