[發明專利]一種耐污染、耐潤濕的膜蒸餾用Janus膜及其制備方法

在審

• 申請號: 202310020145.7
• 申請日: 2023-01-06
• 公開（公告）號: CN116236927A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 李雪佳;郭強;李杰;李井峰;何瑞敏;王小龍;劉兆峰;王霄
• 申請（專利權）人: 國能神東煤炭集團有限責任公司;中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司
• 主分類號: B01D71/42
• 分類號: B01D71/42;B01D71/34;B01D61/36;B01D69/02;B01D69/12;B01D71/02;B01D67/00
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 白雪

本發明提供了一種耐污染、耐潤濕的膜蒸餾用Janus膜及其制備方法。該Janus膜包括依次疊置的疏水基底層、超疏水改性層和親水改性層；其中，親水改性層為氧化石墨烯改性的聚丙烯腈層，疏水基底層的材料為疏水聚合物，超疏水改性層的材料為超疏水聚合物。該Janus膜能夠有效解決膜蒸餾所用的膜耐污染和耐浸潤性不佳的問題。

技術領域

本發明涉及膜法水處理技術領域，具體而言，涉及一種耐污染、耐潤濕的膜蒸餾用Janus膜及其制備方法。

背景技術

煤炭深埋地下，其開采過程中會導致含水層的破壞，地下水融入礦井形成的礦井水外排會造成嚴重的生態環境污染，因此，礦井水的處理及資源化利用尤為關鍵。為了實現礦井水深度處理脫鹽，電滲析、反滲透、蒸餾以及離子交換等方法應運而生。雖然目前以反滲透技術為核心的高礦化度礦井水處理工藝已較為成熟，但其處理成本較高、工藝較復雜等問題仍亟待解決。膜蒸餾技術(membrane?distillation，MD)因具有理論截鹽率可達100％、能與低品位熱源相結合等優勢，被認為是最有發展前景的膜法水處理技術之一。

MD將蒸餾和膜分離技術相結合，以膜兩側蒸汽壓差為驅動力實現鹽水分離。在低于沸點的溫度下對料液加熱，料液在進料側的膜-液界面處蒸發形成水蒸氣并沿著蒸汽壓力梯度穿過膜孔到達滲透側，水蒸氣遇冷冷凝成淡水，而鹽結晶則滯留在料液之中，進而實現鹽與水的分離。近些年，MD越來越多地用于高礦化度礦井水的處理。作為一種熱蒸發脫鹽技術，在保證低能耗、高截鹽率以及高傳質和低傳熱的前提下，提高MD用膜的耐污染、耐潤濕性能并延長其使用壽命，可使得MD在一眾膜法水處理技術中更具競爭力。

膜污染和膜潤濕兩大問題制約了膜蒸餾在實際生活中進一步應用。高礦化度礦井水在我國西部礦區廣泛存在，水中含有大量的Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、HCO₃^-等離子，若直接排放將導致土地鹽堿化、水土流失等環境問題。同時，在礦井開采的過程中，人類活動的產物以及自然界的微量有機物可能會滲透至礦井水中，加重環境污染程度以及水處理難度。在處理高礦化度礦井水時，膜蒸餾所用的疏水膜很容易因碳酸鈣、硫酸鈣等無機污染物而結垢，令滲透通量明顯下降。當料液中含有疏水性有機物時，膜孔很容易被這些油類物質堵塞；若低表面張力的有機污染物(如表面活性劑等)進入料液中更會對膜造成不可逆的潤濕，使膜截鹽性能下降。

為了預防膜被污染及潤濕，可采取對料液預處理除硬及對膜后處理清洗等方法。然而通過加入NaCO₃、NaHCO₃等物質的除硬方法不僅存在引入新的離子的可能性，以目前手段除硬效率也未能到100％。而使用稀鹽酸、檸檬酸等酸性物質對污染膜進行清洗更是加重了膜潤濕的風險。

鑒于此，有必要發明一種耐污染、耐潤濕的膜蒸餾用Janus膜。所謂Janus膜一般是指其每側具有相反性質的膜，包括具有不對稱潤濕性的膜和不對稱表面電荷的膜。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種耐污染、耐潤濕的膜蒸餾用Janus膜及其制備方法，以解決現有技術中膜蒸餾所用的膜耐污染和耐浸潤性不佳的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種耐污染、耐潤濕的膜蒸餾用Janus膜，該Janus膜包括依次疊置的疏水基底層、超疏水改性層和親水改性層；其中，親水改性層為氧化石墨烯改性的聚丙烯腈層，疏水基底層的材料為疏水聚合物，超疏水改性層的材料為超疏水聚合物。

進一步地，疏水基底層、超疏水改性層與親水改性層的厚度比例為15:(2.5～10):1；優選親水改性層的厚度為0.01mm。

進一步地，親水改性層中，聚丙烯腈與氧化石墨烯的摩爾比為100:(1～10)。

進一步地，疏水基底層的材料為PVDF；優選疏水基底層為PVDF納米纖維膜。