[发明专利]一种膜蒸馏用静电纺丝疏水纳米纤维多孔膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于膜蒸馏用分离膜的制备领域，特别涉及一种膜蒸馏用静电纺丝疏水纳米纤维多孔膜的制备方法。

背景技术

水资源短缺、水环境恶化是当今世界普遍存在的问题，膜分离技术作为一门新型的高效分离、浓缩、提纯及净化技术，已在海水淡化、工业废水处理、环境污染治理等领域得到广泛应用，而膜蒸馏以其独特的优点在膜分离技术领域占有重要的一席之地。膜蒸馏是一种热驱动条件下采用高疏水微孔膜，以膜两侧蒸汽压差为传质动力的膜分离过程。当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时,由于膜的疏水性和表面张力的作用,两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧,但由于热溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧,水蒸汽就会透过膜孔从暖侧进入冷侧而冷凝,这与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似,所以称之为膜蒸馏[吴庸烈,膜蒸馏技术及其应用进展,膜科学与技术,2003,23,67-79]。相比于传统的反渗透海水脱盐、热敏性物质溶液的浓缩和分离技术，膜蒸馏最突出的优点是其分离系数高，对非挥发性组分（离子、生物大分子、胶体、糖等）具有理论上100%的截留效果，可在比被分离溶液的沸点低得多的温度下运行，并且操作热源可来自太阳能、废热和余热等，具有运行压力低和运行温度低的优点；其次膜蒸馏可以处理高浓度溶液，甚至可以把溶液浓缩成饱和状态。在设备结构上，组件可设计成潜热型回收式，并具有以高效率小型组件构成大规模生产体系的灵活性[Serena B,Aldo S,Giulio C S1997Aiche J43398-408]。

由于膜蒸馏研究的分离对象基本都是水溶液体系，结合膜蒸馏过程中的几个特性，膜蒸馏用膜必须满足疏水性和微孔性两个基本要求，除此之外，良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性都是必不可少的。传统膜蒸馏用膜的制备方法有拉伸法、相转化法、表面改性法、共混改性法和复合膜法[吴庸烈,膜蒸馏技术及其应用进展,膜科学与技术,2003,23,67-79]。因此，膜蒸馏技术用膜多为相转化法平板膜和中空纤维膜，相比于成熟的反渗透技术，低水通量和膜孔易润湿是膜蒸馏过程中的两大弊端[Lawson K W,Lloyd D R1997J.Membr.Sci1241-25;El-Bourawi M S,Ding Z,Ma R,Khayet M2006J.Membr.Sci2854-29]。另一方面，适合膜蒸馏用的聚合物膜材料具有一定的局限性，目前普遍采用的有不含亲水基团、具有良好疏水性的聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、硅橡胶类疏水性聚合物微孔膜。因此，膜蒸馏技术的商业化并未得到充分的重视，实际应用规模和范围也比较小。

静电纺丝是当前制备纳米纤维等超细纤维材料最主要的简单有效的技术[Reneker D H,Chun I1996Nanotechnology7216-23;Li D,Xia Y2004Adv.Mater161151-70]。静电纺纤维最主要的特点是纤维比传统的纺丝方法细的多，直径一般在数十纳米到几微米，所形成的无纺布是一种有纳米微孔的并且孔隙互通的多孔材料，孔隙率可高达80％左右，并且孔隙可通过调节静电纺丝工艺参数而有效调控。因静电纺丝纳米纤维无纺布具有纤维纤度细、表面积大、孔隙率高等的形态特点，并具有良好的机械强度和轻质轻量和吸附性能，是非常好的过滤材质以及过滤支撑材质，因此静电纺纳米纤维在分离膜领域的应用研究倍受各国研究者的关注[Yoon K,Hsiao B S,Chu B2008J.Mater.Chem185326-34;Thavasi V,Singh G,Ramakrishna S2008Energy.Environ.Sci1205-21]。而本发明针对膜蒸馏传统的相转化法平板膜和中空纤维膜的闭孔结构特性，引用静电纺丝法制备具有超大表面积体积比、高孔隙率、相互贯通的开孔结构以及膜厚度可控的纳米纤维多孔膜来改善膜蒸馏用膜低水通量的缺陷；另一方面选择具有一定疏水特性的功能聚合物材料，通过静电纺丝法获得微观尺度上的多级层次结构，宏观上呈现出高疏水特性，由此改善膜蒸馏用膜在操作过程中易产生的膜孔润湿的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种膜蒸馏用静电纺丝疏水纳米纤维多孔膜的制备方法，该发明制备方法简单易行，能够显著改善传统膜蒸馏用膜低水通量和膜孔易润湿的缺陷，使膜蒸馏技术能在海水脱盐领域与反渗透技术相竞争。

本发明的一种膜蒸馏用静电纺丝疏水纳米纤维多孔膜的制备方法，包括：