[发明专利]一种超疏水膜的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及膜分离技术和水处理领域，尤其涉及一种超疏水膜的制备方法以及其在膜蒸馏过程中的应用。

背景技术

水资源匮乏和水污染日益严重要求污水处理必须向深度处理和再利用进行转变。膜技术因其分离效率高、能耗低、工艺简单、不需额外添加药剂、运行可靠、设备紧凑、占地面积小、产品水质高、便于与其它技术集成等突出优点，已逐步成为世界各国水处理领域关注的核心技术。其中，反渗透膜分离技术是近年来在我国快速发展应用的新技术，已经逐渐成为工业循环水处理、废水回用和海水淡化领域中的重要方法。但反渗透膜技术在产出淡水的同时仍然会排放一定量的浓盐水或浓有机废水。目前，工业项目中的反渗透脱盐系统的平均产水回收率在65％～80％，仍约有20％～35％的浓盐水会被排出。据统计，国内应用反渗透膜系统产生的浓水日均达到1500万立方米。反渗透浓水排放不仅造成水资源浪费，也因其高盐高有机物含量的性质对环境造成严重的污染。开发对反渗透浓水的处理技术，既能节约水资源，又能保护环境；既有可观的经济效益，又有巨大的社会效益。

由80年代发展起来的膜蒸馏技术为处理反渗透浓水提供了一个有效的解决方案。膜蒸馏技术(MD)是一种热驱动力作用下的膜分离技术，受热后的高盐浓度污水中的水分子在膜两侧气压差的作用下通过疏水性膜而实现与盐离子分离的过程。MD具备许多显著的特点：截留率高；操作温度比传统的蒸馏操作低得多，可利用地热、太阳能、温泉、工业废水余热等廉价能源，降低能耗；操作压力低；且适用范围广，能够处理反渗透等不能处理的高浓度废水。根据膜蒸馏分离对象和分离过程的特性，膜蒸馏用膜要求具备多孔性、疏水性、导热系数低、热稳定、化学稳定、抗污染性能强等特点。但目前已有的制膜方法得到的疏水膜多存在孔隙率低、膜通量低、膜孔易润湿等问题，限制了膜蒸馏技术的发展和应用。因此，制备具有高孔隙率、高通量、超疏水等优良性能的膜蒸馏膜，有效提高膜的抗润湿性和使用寿命就显得尤为重要，是膜蒸馏技术将来是否能大规模工业化应用的关键技术之一。

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)。目前，用于膜蒸馏的膜主要为相转化法制备的平板膜和中空纤维膜。近年来，随着纤维材料的研究日渐成熟，有不少研究人员开始研究纤维膜。纤维的制备方法主要有拉伸法、模板合成法、自组装法、分子喷丝板纺丝法、相分离法、分子技术制备法、生物制备法和静电纺丝法等。其中，静电纺丝法因具有操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。采用静电纺丝制备的纳米纤维膜更是具备高孔隙率的特点。因此，采用静电纺丝制备膜蒸馏膜是一种有效提高膜孔隙率和膜通量的方法，近年来得到学术界越来越多的关注。目前的专利和文献中普遍采用具有良好疏水性的聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等聚合物进行电纺丝或相转化法制备膜蒸馏膜，但这些膜的抗润湿性较差，抗污染性能欠佳，在膜蒸馏技术中的应用尚存在诸多缺陷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种超疏水膜的制备方法及其在膜蒸馏过程中的应用，实现制备得到的膜具备超疏水性能，提高膜的抗润湿性和抗污染性能、减少膜表面的温差极化和浓差极现象、降低通过膜的热损失，从而有效延长膜的使用寿命。

本发明提供了一种超疏水膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将疏水性有机高分子材料和纳米颗粒溶于有机溶剂中，经过搅拌、静置后制成静电纺丝液；其中疏水性有机高分子材料包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)中的一种或多种；纳米颗粒包括金属-有机框架、碳纳米管、聚四氟乙烯、黏土、氧化锌和二氧化硅中的一种或几种；有机溶剂包括N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、丙酮、乙醇和乙酸中的一种或几种；

步骤2、设定高压静电纺丝参数，进行静电纺丝制膜，得到纳米纤维膜，对纳米纤维膜进行热处理；

步骤3、制备TiO₂，将TiO₂覆盖于步骤2中得到的纳米纤维膜表面，然后进行热处理、水浴加热、冲洗和紫外照射处理；