[发明专利]一种多巴胺改性纳米材料制备高通量复合膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于膜材料改性技术领域。涉及到利用多巴胺对纳米材料表面改性提高材料的亲水性及分散性，利用亲水性纳米材料在铸膜液中的添加提高膜的亲水性和抗污染能力。

背景技术

膜分离技术是21世纪高科技产业之一，由于其具有常温下操作、无相态变化、高效节能、在生产过程中不产生污染等特点，在饮用水净化、工业用水处理，食品、饮料用水净化、除菌，生物活性物质回收、精制等方面得到广泛应用。在环境工程，特别是废水处理和中水回用方面也有着广泛的应用前景。然而，膜污染却成为制约膜分离技术应用的主要瓶颈，由膜污染造成的通量下降是导致膜寿命减小、运行成本增加的主要因素。为了拓展膜的应用，控制膜污染已经成为研究的主要方向。

控制膜污染的方法分为几个方面，膜材料的改进，操作条件的优化，反应器和膜组件结构的优化以及物理化学清洗等。其中膜材料是膜分离技术的核心，要求膜材料具有良好的成膜性，可以大规模生产，其次要具备耐热、耐酸碱、耐微生物腐蚀、抗溶剂和耐氧化等特性。常用的膜材料有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)和聚酰亚胺(PI)等。

PVDF作为常用的膜材料具有以下优点：良好的机械强度、刚性和抗蠕变性、低温下亦保持高韧性；耐磨性好；尺寸稳定；耐高能射线辐射；防紫外线和气候老化；生理惰性；耐水解和耐化学品性极高；低燃烧性，使用温度高。但PVDF膜疏水性极强，容易造成膜污染，因此需要对其进行亲水改性。为了利用PVDF膜良好的物理化学性能，将其他物质引入与PVDF膜进行共混改性成为常用的方法，近年来纳米粒子的引入成为研究热点，PVDF常与纳米材料进行结合，如纳米SiO₂、TiO₂、γ-Al₂O₃、Fe₃O₄、ZrO₂等氧化物。其中纳米TiO₂由于具有良好的化学稳定性、耐化学腐蚀、抗紫外能力及巨大的比表面积被广泛的应用于膜材料的改性。但由于纳米粒子的表面能高，容易发生团聚，形成二次粒子，在有机相中难以浸润和分散稳定性差等缺点，无法表现出令人满意的大比表面积、体积效应及量子效应等纳米特性。

多巴胺表面聚合是一种新型的改性方法。有研究发现，在有氧条件下，多巴胺的邻苯二酚基团很容易被氧化，生成具有邻苯二醌结构的多巴胺醌化合物(Haeshin Lee et.al，Single-molecule mechanics of mussel adhesion，Proc.Natl.Acad.Sci.2006.)。多巴胺和多巴胺醌之间发生反歧化反应，产生半醌自由基，偶合形成交联键，在聚合物、金属、陶瓷、玻璃、木材、无机物等一系列材料表面形成一层超强附着的复合层，同时在基体材料表面形成紧密附着的交联复合层(W.M.Miller et.al，Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings，Science，2007)。与其他改性方法相比，利用多巴胺对材料表面改性的方法更加简单方便，反应在水溶液中进行，不需对材料进行复杂的预处理，无需外加催化剂，无需加热、加压、密封等条件，使得这种方法具有广泛的应用前景。目前有文献报道采用多巴胺改性二氧化钛并在表面接枝其他粒子，但并没有改善二氧化钛的分散性。

发明内容

本发明目的是利用多巴胺对纳米TiO₂进行表面改性，提高TiO₂的分散性，同时保持TiO₂良好的亲水性和纳米材料的表面性能。将改性的TiO₂添加到PVDF铸膜液中，对膜进行改性，提高膜的亲水性及抗污染能力。

本发明的技术方案如下：

本发明采用的多巴胺改性TiO₂的方法为表面聚合改性，反应在水溶液中进行，在有氧的条件下多巴胺在TiO₂表面发生自发的聚合反应，形成聚多巴胺层，从而形成均匀分散的TiO₂粒子。

选用三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液作为溶剂，多巴胺为溶质配制成多巴胺溶液，通过盐酸进行PH值的调节。将TiO₂纳米粒子添加到配制好的溶液中，在室温下震荡一定时间以提供聚合反应所需的充分的溶解氧。震荡后得到的即是多巴胺改性二氧化钛(PDA-TiO₂)。