[发明专利]一种膜蒸馏用超疏水纳米纤维复合膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种膜蒸馏用超疏水纳米纤维复合膜及其制备方法。所述纳米纤维复合膜为双层结构，包括相互复合的基层及表层，基层为纳米纤维基膜，表层为多孔超疏水分离层。制备方法为：采用聚合物溶液静电纺丝法制备基层，然后进行热压处理；将聚烯烃材料加热溶于溶剂中搅拌均匀，在真空辅助抽滤法的外在作用力下去除富溶剂相，富聚合物相沉积在基层表面；再加入易挥发的聚烯烃非溶剂，构造带有微观尺度上的多孔结构皮层的纳米纤维复合膜。本发明制得的产品膜高效耐用，制备方法简单易行，能够显著改善传统膜蒸馏用膜价格昂贵、孔隙率低、水蒸气通量低和膜孔易润湿的缺陷，并且容易实现对现有膜蒸馏用膜的规模化改性。

技术领域

本发明涉及一种膜蒸馏用真空辅助抽滤法沉积低表面能聚烯烃制备的带有蜂窝结构的超疏水纳米纤维复合膜及其制备方法，属于材料工程技术领域。

背景技术

水资源污染和短缺是当下社会普遍面临的问题，膜分离技术作为一门新型高效的分离、净化、提纯及浓缩技术，已在海水淡化、废水处理等领域得到广泛应用，而在众多膜分离技术中，膜蒸馏以其独特的优点(如可利用低品质热源、截留率高、设备简单、操作条件温和方便等)越来越受到广泛的重视和研究[Wang Z，Hou D，Lin S，2016Environ.Sci.Technol 50 3866-74]。膜蒸馏是一种以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程[吴庸烈，膜蒸馏技术及其应用进展，膜科学与技术，2003，23，67-79]。考虑到膜蒸馏用膜需要与具有强浸润性的高温盐水接触，膜蒸馏所采用的微孔膜应具有高疏水性。但是受限于传统疏水材料的种类较少和传统制膜工艺(如拉伸法、相转化法、表面改性法、共混改性法和复合膜法)的弊端，制备的平板膜和中空纤维膜具有孔隙率低、疏水性低等缺点，从而导致膜蒸馏过程中膜孔容易被润湿并且水通量很低。这些缺点严重制约了膜蒸馏商业膜的开发和大规模工业生产应用。

目前采用静电纺丝技术制备的纳米纤维多孔膜广泛应用于膜蒸馏脱盐，其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特点[Li D，Xia Y2004Adv.Mater 16 1151-70；Yoon K，Hsiao B S，Chu B 2008J.Mater.Chem 18 5326-34]，能够有效改善传统相转化法制备的膜蒸馏用膜孔隙率较小并且所形成的微孔为闭孔结构的缺陷，提高膜蒸馏用膜水蒸气通量，但是疏松的膜结构也加重了膜孔容易被润湿的问题。因此，大部分静电纺丝技术制备的纳米纤维多孔膜需要借助有机/无机颗粒构筑表面粗糙度同时引入低表能的疏水改性剂，提高纳米纤维膜的抗润湿性。这些低表面能的疏水改性剂价格昂贵同时会对环境产生污染，推高膜蒸馏用膜的制备成本，严重阻碍膜蒸馏技术在海水脱盐领域的推广运用。

近年来，选用廉价易得的低表面能聚合物材料在多孔支撑膜表面构筑疏水皮层制备出的复合膜越来越受到研究者的青睐[Shaulsky E，Nejati S，Boo C，Perreault F，Osuji C O，Elimelech，M 2017 J.Membr.Sci 530 158-165]。聚烯烃具有优异的耐腐蚀性、耐水性和良好的机械强度、较低的价格等优点。通过真空辅助抽滤法在纳米纤维表面沉积低表面能聚烯烃材料，在兼具纳米纤维各种优点的同时，可有效规避传统制膜方法对低表面能材料难处理的问题，扩大原材料的选择范围，制备出带有多孔蜂窝结构的超疏水皮层，这种具有仿生结构特性的纳米纤维多孔膜相比传统的相转化膜和普通的纳米纤维膜能够赋予分离膜更加优异的性能。本发明针对膜蒸馏传统用膜的缺陷，使用静电纺丝法制备具有超高孔隙率、大表面积体积比、相互贯通的开孔结构的纳米纤维膜，并且通过热压处理，使蓬松的纳米纤维相互联结形成完整均一的纳米纤维多孔膜，来提高孔隙率和水蒸气通量；另一方面选择廉价易得的聚烯烃材料在高温下溶于溶剂中搅拌均匀，在可控的冷却速率下冷却至不同温度，结合聚烯烃溶液处于热力学不稳定状态易凝胶化的原理，并在真空辅助抽滤法的外在作用力下，使富溶剂相被去除，富聚合物相沉积在纳米纤维膜表面，构造带有微观尺度上的多孔结构皮层的纳米纤维复合膜，宏观上呈现出超疏水特性，由此提高膜蒸馏用膜在运行过程的抗润湿性问题。

发明内容