[发明专利]一种基于气凝胶的膜蒸馏及相关膜过程用膜

说明书

所属技术领域

本项发明属于水处理、生物制药、环保及石油工业等领域。涉及物料的分离、浓缩、提纯技术，尤其涉及以实现高通量、高热效率膜蒸馏及相关膜过程为目的的膜材料的研究。

背景技术

膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)是一种膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，该过程采用疏水性微孔膜，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力。膜蒸馏由于具有截留率高(若膜不被润湿，可达100％)、操作温度低(可有效利用地热、工业废水余热等廉价能源，降低能耗)、操作压力低、能处理高浓度废水、设备简单、蒸馏用膜抗污染力强等显著特点，被认为是一种节能、高效的分离技术，为人类解决能源、资源紧张提供了简单、有效的技术方法。膜蒸馏可用于海水或苦咸水淡化、化学物质分离、浓缩或提纯，在化工生产、生物制药、果汁生产、废水处理等领域都有巨大的应用前景。

对膜蒸馏的性能起着决定性影响的是膜蒸馏用的膜材料。用于膜蒸馏的膜材料至少应满足疏水性和多孔性两个要求，以保证水不会渗入到微孔内和具有较高的通量。目前膜蒸馏用膜的研究开发主要集中于三种材料，即聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯(PP)。这些聚合物表面能很低，具有疏水性，并且有很好的化学稳定性和热稳定。但目前膜蒸馏所使用的微孔膜多是用于微滤的商品膜，专门开发用于膜蒸馏的膜还很少。而且采用以上膜材料的膜蒸馏虽然能实现一定的分离目的，有很高的截留率，但仍存在比较大的缺陷，如(1)通量小——虽然个别设计很好的膜系统水通量可达75kg/m²·h，但一般膜蒸馏的通量无法与反渗透膜相比；(2)热效率低——膜蒸馏的热效率一般只有30％左右，大部分的热量通过热传导损失。以上两个主要原因使得膜蒸馏技术至今未能在大规模工业生产中得到应用。专利CN200410037319提出了一种能同时提高膜通量和热效率的方法，但仅仅是从工艺的角度出发，增加了膜组件和设备的复杂性，并且改善程度有限。要真正解决以上两个问题，还要从最基本的膜材料入手。因此，研制新型的膜材料以提高MD技术的水通量、热效率是当前迫切需要解决的问题。只有新型理想的膜材料研制成功，结合相宜的膜组件及膜工艺，膜蒸馏技术才具有更广阔的应用空间。

气凝胶是一种分散介质为气体、作为凝胶网络骨架的固体相及网络的孔隙结构均为纳米级别的轻质多孔纳米固态材料。其具有高孔隙率(可高达99.8％)、纳米级的孔洞、三维纳米骨架颗粒、高比表面积(可高达1000m²/g)、低密度(可低至0.003g/cm3)、低导热率(比空气的导热系数还低)等特点。这些独特的结构和性能使其在航天航空、医药、建筑、军事等各个领域都有巨大的应用潜力，被称为“将会改变未来的材料”。

气凝胶独特的结构特性使其非常符合MD及相关膜过程用膜的要求，特别是气凝胶的高孔隙率、纳米孔洞以及低热导率。首先，高的孔隙率能保证MD及相关膜过程的高通量——孔隙率越大，气体传递的通路就越大，传质有效面积增大，传质通量就大。气凝胶的孔隙率可高达99.8％，用作MD及相关膜过程用膜将大大提高膜通量。其次，适当的纳米孔洞亦能保证MD及相关膜过程的高通量——孔径太小，传质阻力就大；孔径太大，水溶液渗入膜孔而造成短路。气凝胶纳米孔洞范围在1～100nm，可根据不同要求实现最优化。最后，低的热导率能实现MD的高热效率——由于膜蒸馏过程中热工质与膜材料直接接触，热量中有相当一部分热量通过膜传递而散失，从而使热效率降低，造成能源浪费。气凝胶是目前世界上隔热性能最好的固态材料，用作MD膜将大大提高MD热效率。综上所述，如果能利用气凝胶的这些独特优势将其开发研制为MD及相关膜过程用膜，将会大大改善MD及相关膜过程用膜的结构性能，提高MD及相关膜过程效率，从而扩展MD及相关膜过程的应用空间，最终实现MD及相关膜过程技术的大规模、产业化应用，服务社会、造福人类。

发明内容

本发明的目的是为解决现有膜蒸馏及相关膜过程用膜的不足，提供一种新型的膜蒸馏用膜材料，该膜材料是基于气凝胶独特的结构性能，使其膜蒸馏及相关膜过程具有高通量、高热效率的显著特点。

气凝胶MD膜的制备包括以下内容：

1.选定一种气凝胶材料，制作成膜状，在制备过程中或者制备完成后进行疏水化处理。用于制备气凝胶MD膜的气凝胶材料可以是疏水性无机气凝胶、有机气凝胶以及炭气凝胶中的一种或几种。疏水性属于材料的表面性质，可以通过一定手段将其表面进行疏水化改性。