[发明专利]一种小孔径高通量的碳纳米管低压膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种小孔径高通量的碳纳米管低压膜及其制备方法。本发明将一定量具有一定外径尺寸和长度的碳纳米管均匀分散在乙醇溶液中得到碳纳米管悬浊液，利用超声破碎仪对其进行超声处理使之分散形成高度均匀的碳纳米管分散液，利用加压过滤的方法在微滤膜支撑层上形成一层稳定的碳纳米管薄膜，直接从微滤膜上揭下后经烘干处理制备得到碳纳米管自支撑低压膜。通过优化碳纳米管尺寸和成膜压力可以调控膜孔径大小和通量。本发明还提供一种利用上述制备方法制备的小孔径高通量的碳纳米管自支撑低压膜，其孔径在20～10nm，通量高达约450L·m^‑2·h^‑1·bar^‑1，与传统商业有机超滤低压膜相比，其具备对污染物具有较高去除率的优势。

技术领域

本发明属于纳米材料与水处理技术的交叉领域，涉及一种可以优化孔径大小和通量的碳纳米管自支撑低压膜的制备方法，以及基于此制备方法制备的小孔径高通量的碳纳米管自支撑低压膜。

背景技术

低压膜滤技术能够有效去除水中颗粒污染物和病原体微生物，且与高压膜滤技术相比，能量消耗相对较低，近年来被广泛用于给水处理和污水的再生利用。采用有机高分子聚合材料制备的传统低压膜，受自身孔径大小的限制，对有机污染物的截留能力十分有限。由有机污染物在膜表面或膜孔内吸附、沉积所导致的有机污染问题严重，进一步衍生和加剧膜的生物污染。

碳纳米管自1991年被发现以来，以其具有良好的力学性能和吸附性能、极好的机械性能和热稳定性、以及局部抗菌性等优点而受到广泛重视。近年来，随着CNTs产量的增高和成本的快速降低，CNTs在水处理领域中得到越来越广泛的应用。

现有碳纳米管在水处理领域的应用，包括垂直排列碳纳米管膜的制备和混合(复合)碳纳米管膜的制备。混合(复合)碳纳米管膜，碳纳米管作为添加剂与高分子材料混合采用相转化法制备，工艺相对简单，缺点是碳纳米管完全被包裹在有机材料中，碳纳米管自身活性难以得到发挥；垂直排列碳纳米管膜，水分子能够从垂直排列的多层碳纳米管中间通过，膜孔尺寸非常小，且由于流体在碳纳米管之间呈无摩擦流动，其通量达到普通商业有机超滤膜的3倍以上(Baek et al.,High performance and antifouling verticallyaligned carbon nanotube membrane for water purification,Journal of MembraneScience 460(2014),171-177)。但是由于其制备过程复杂，运行压力高，应用一直以来受到限制。

碳纳米管自支撑膜，也被称为巴基纸膜，是由相互缠绕的碳纳米管组成的一种最为简单的膜结构，片式碳纳米管自支撑膜外观如同柔性纸质材料，为连续多孔网状结构。碳纳米管自支撑膜用于截留污染物，实现水分子和其他物质分离的膜孔是由碳纳米管之间相互缠绕形成的间隙构成的，且其孔隙体积占其总体积的60～70％，在饮用水和污水的深度处理领域具有广泛的潜在应用价值。