[发明专利]以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜，其特征在于支撑体为多孔压电陶瓷，平均孔径为100‑3000nm；分离层为多孔无机膜，平均孔径分布为1‑1000nm。以压电陶瓷粉体为原料制备多孔结构的陶瓷支撑体，并在其表面制备多孔无机分离层；将湿膜晾干、烘干、煅烧，自然降温制备非对称结构膜；将非对称膜进行高压极化即得非对称结构的原位超声抗污染膜。本发明制备的分离膜孔径可在1‑1000nm进行调控以满足不同分离体系的需求；同时在电场作用下，压电支撑体在分离过程中可以产生超声振动，具有显著的抗污染效果。

技术领域

本发明涉及原位超声抗污染膜及其制备方法，尤其涉及以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜及其制备方法。

背景技术

膜分离技术以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一定推动力，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯目的。它具有无相变、低能耗、高效率、工艺简单等优点，并且无机膜具有耐酸碱腐蚀、耐有机溶剂、耐高温高压等优点，因此具有非常广阔的应用前景。然而，膜污染是膜分离技术在实际应用过程中面临的共性难题，污染物会堆积在膜表面或者膜孔道内造成膜污染现象，不仅使膜过滤通量严重衰减，还可能影响膜对分离物质的截留性能，直接影响膜分离过程的经济性与可靠性。

压电材料是一类受到压力作用时会在两端出现电压的晶体材料，压电材料经过高压极化后内部原先随机取向的晶粒会在直流电压作用下取向于所加电场方向，并在电场撤销之后保持正负极分离的状态。此时在其两端施加交流电场可以使压电材料产生机械振动，根据压电材料可以使交流电转换为机械振动的特点，可以将压电材料制备成分离膜，使膜材料成为原位超声发射源，在分离过程中产生机械振动，从而起到缓解甚至避免膜污染的作用。

目前，以压电材料为原料制备抗污染分离膜的报道主要有Darestani(J MembraneSci，2013，435：226-232)以PVDF为原料制备了孔径为220nm，厚度为123μm的对称结构PVDF有机振动膜；Qiu(J Membrane Sci，2015，,44:120-135)以锆钛酸铅陶瓷为原料制备了孔径为365nm的对称结构PZT电陶振动瓷膜。这两种对称结构的原位超声膜均表现出了良好的抗污染性能，这两种膜都是对称结构，而非对称结构的膜具有更好的渗透性能和分离性能，因此制备具有非对称结构的原位超声抗污染膜具有极大的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的原位振动抗污染膜均为对称结构，为了提高振动膜的分离性能和渗透性能，需要制备非对称结构的原位超声膜。因此提供了一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜，本发明的另一目的是提供上述非对称结构原位超声抗污染膜的制备方法，在确保原位超声膜抗污染性能的同时减小了膜的平均孔径，提高了膜的分离精度。

本发明的技术方案为：以多孔压电陶瓷为支撑体，制备纳米级别的颗粒制膜液，并涂覆在多孔压电陶瓷支撑体表面，煅烧制备分离层。该分离层可以提高非对称膜的分离精度，同时不影响支撑体的性能。将这种非对称膜进行高压极化，支撑体即具备压电性能，在交流电作用下可以产生原位超声起到抗污染作用。

本发明的具体方案为：一种以压电材料为支撑体的非对称结构原位超声抗污染膜，其特征在于支撑体为多孔压电陶瓷，平均孔径为100-3000nm；分离层为多孔无机膜，平均孔径分布为1-1000nm。

优选上述支撑体的材质为钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、氧化锌、偏铌酸铅、铌锰酸铅、铌锌酸铅或石英中的一种或者其混合物；支撑体为片状或管状结构；本发明所制得的非对称结构原位超声抗污染膜的共振频率为20kHz-500kHz。

优选所述的分离层多孔无机膜的材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、碳纳米管、石墨、金属纤维或碳纤维中的一种或者其混合物；优选上述纳米颗粒粒径为5-1000nm。优选多孔无机膜的膜层数为1-5层。