[发明专利]一种高性能平板式醋酸纤维素/石墨烯共混正渗透膜

说明书

技术领域

本发明涉及膜技术领域，尤其是涉及一种高性能平板式醋酸纤维素/石墨烯共混正渗透膜。

背景技术

水资源的匮乏已成为制约社会进步和经济发展的瓶颈，新水源开发也成为全球普遍关注的问题。由于地球上海水资源极为丰富，海水淡化已成为解决水资源危机的战略选择。目前，商业化的海水淡化技术主要有热法和膜法，反渗透海水淡化已成为最重要的海水淡化技术之一，但其操作压力高、能量消耗大、膜使用寿命较短、水回收率较低等缺点显示了反渗透法海水淡化相对较小的发展空间，使之遇到了发展的瓶颈。作为为解决这一关键问题而诞生的低能耗、高水回收率的正渗透技术成了海水淡化领域的研究重点和热点，对解决水资源短缺问题有着重要的战略意义。

正渗透(forward osmosis，FO)是一种依靠膜两侧渗透压驱动的膜分离技术，正日益受到重视，相关的理论和应用研究取得了较大的进展，已经成功应用于海水淡化、废水处理、食品医药、能源等领域。与反渗透相比，正渗透技术具有水回收率高、浓水排放少、膜污染较轻、无需外压等优点，有望取代反渗透成为水的纯化和脱盐的新途径。目前，常见的正渗透膜主要有三醋酸纤维素膜、二醋酸纤维素膜、聚苯并咪唑膜、聚酰胺复合膜等，商业化程度不高主要是缺乏性能良好的正渗透膜和适宜的驱动液，而正渗透膜是整个正渗透过程的关键所在。理想的正渗透膜应具有以下特征：（1）致密的、低孔隙率的皮层，高的截盐率；（2）膜的皮层具有较好的亲水性、较高的水通量；（3）膜的支撑层尽量薄，孔隙率高；（4）尽可能低的内浓差极化；（5）较高的机械强度；（6）较高的耐化学腐蚀性能。这些均与正渗透膜的材料性质和膜的结构密切相关，可见性能优良的膜材料和正渗透膜制备方法尤为重要。常见的正渗透膜制备方法有界面聚合法、双选择层膜制备法和纳滤膜改性三种。界面聚合法制备的正渗透复合膜内浓差极化较严重；双选择层膜有效减小了内浓差极化，但制备工艺较为复杂；纳滤膜改性膜对单价盐的截留率和水通量均较低；因此，需要开发新的正渗透膜制备工艺以提高正渗透膜的分离性能。

上个世纪60年代，国外已经开始了正渗透技术的研究，采用已有的反渗透膜或纳滤膜进行正渗透的应用研究，结果证明现有的反渗透膜或纳滤膜难以用于正渗透过程，但同时也证明了正渗透膜的性能与膜材料、膜结构密切相关；随后，诸多膜科技工作者开始了正渗透膜制备的基础研究。Tang等研究发现了可以用来制备理想正渗透膜的亲水性膜材料；QIAN YANG、V. Kurdakova、Kai YuWang采用聚苯并咪唑作为原料，通过相转化法制备了正渗透膜；Sui Zhang等则采用L-S法制备了具有超薄选择层的醋酸纤维素膜，有效地降低了内浓差极化；提高了正渗透膜的水通量。而美国耶鲁大学Menachem Elimelech研究小组、新加坡南洋理工大学的研究小组、Yip等则分别以聚砜或聚醚砜为膜材料制备支撑底膜，通过界面聚合制备了复合正渗透膜，均提高了膜的渗透性能和分离性能。Jincai Su等采用相转化法制备了中空纤维纳滤膜，通过热处理改性制备正渗透膜，提高了膜的性能。研究结果表明，通过选择合适的膜材料、膜制备工艺，可以制备性能优良的正渗透膜。我国正渗透技术的研究起步较晚，目前国内对正渗透技术的研究，无论是膜制备还是膜过程研究，仍处于探索阶段。刘蕾蕾等、李丽丽等、赵静等分别探索了三醋纤维素和二醋酸纤维素正渗透膜的制备条件，研究了各种因素对正渗透膜性能的影响，但尚未制备出可商业化的性能优良的正渗透膜；正渗透膜的制备和应用研究仍然任重而道远。前期的研究启示我们，利用共混技术改性膜材料，有望提高正渗透膜的水通量、截盐率、机械性能和耐污染性能。

氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）是人们发现了一种由碳原子以sp2杂化形成的、具有单原子层的、二维蜂窝状结构的原子晶体，其中含有羧基、羟基、羰基等化学基团，具有良好的表面活性和比表面积，使得氧化石墨烯具有极强的亲水性，同时氧化石墨烯具有抑菌性，将其与醋酸纤维素共混制备正渗透膜，有望在获得高水通量的同时，也使正渗透膜产品具有耐污染性和抑菌性，这为正渗透膜材料的研究开发及应用推广提供了新的思路。

如何在得到亲水性质的同时，又使正渗透膜具有抗污染性和保持水通量的稳定性，这是近年来膜科技工作者一直在思索和研究的难题。本发明采用石墨烯改善正渗透膜的结构和亲水性的研究，国内外尚未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能平板式醋酸纤维素/石墨烯共混正渗透膜, 在得到亲水性质的同时，又使正渗透膜具有抗污染性和保持水通量的稳定性。