[发明专利]一种多层生物基中空纳米纤维水处理膜、制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种多层生物基中空纳米纤维水处理膜、制备方法及其应用，该方法以矿物油为芯层溶液，以混有交联剂的水溶性生物高分子、水溶性合成高分子的混合溶液为壳层溶液，采用同轴静电纺丝技术制备具有多层芯‑壳结构的纳米纤维膜，然后通过有机溶剂溶解芯层物质，干燥后得到多层中空纳米纤维膜；所述水处理膜中纤维为芯部中空的结构。本发明制备方法操作简单，成本低廉，绿色环保，易于工业化生产，所制备的多层中空纳米纤维具有重金属过滤效率高、优异的力学性能和柔韧性，以及良好的生物可降解性，具有较大的市场应用前景。

技术领域

本发明涉及一种多层生物基中空纳米纤维水处理膜、制备方法及其应用，属于纳米功能材料和环境水处理领域。

背景技术

重金属在自然界中不能被生物降解，进入生物体后会产生生物富集，并转化为更难被生物降解且毒性更强的化合物，最后通过食物链的生物放大作用进入人体，因此即使微量浓度的重金属也可以产生显著的毒性作用。

膜分离法利用多孔性半透膜，通过对重金属废水施加一定压力，使废水中的水分子通过半透膜，而重金属离子难以通过而被浓缩，从而达到对重金属废水的净化作用。膜分离法具有高效、易于操作、节约空间、出水水质好等特点，在重金属废水处理方面有着巨大的应用前景。

微纳米中空结构材料具有超高比表面积和中空轻质的特点，在食品、环境、医药和能源领域具有巨大的应用前景。同轴静电纺法是一种可以制备连续微纳结构中空纤维的技术，其在传统静电纺丝技术基础上采用同轴针头制备具有芯壳结构的微纳米纤维，再利用溶剂或高温煅烧将芯质除去，从而获得具有中空结构的纳米材料，与传统的纳米中空结构材料制备技术如模板法、悬浮聚合、乳液聚合、相分离和自组装法等相比，同轴静电纺丝法可一步制得中空纳米纤维，是制备中空纳米纤维膜最便捷和最高效的手段。

生物质基高分子因其来源广泛，成本低廉，使用后可全生物降解，对环境无污染，可广泛用于矿业、冶金、化工、电镀、机械、医药、国防军工等行业废水中重金属及放射性核素的吸附与分离，同时，开发可再生生物质资源可大幅度减少石油化工原料的使用，符合国家可持续发展战略。目前，通过静电纺丝法制备的生物基纳米纤维过滤膜机械强度较低，抗恶劣环境能力差，单层吸附容量较低，分离通量小，限制了其在吸附分离领域的工业化应用。

发明内容

本发明针对现有生物基纳米纤维过滤膜的吸附分离性能和力学性能方面的不足，提供一种多层、结构稳定的中空纳米纤维水处理膜、制备方法及其应用。该方法简便高效，节能环保，所得到的中空纳米纤维膜具有分离通量大、截留率高的特点，在环境水处理领域具有广阔的应用前景。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种多层生物基中空纳米纤维水处理膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)芯层溶液的配制

取矿物油A放入烧杯中，静置，将其放入超声环境下，除去混在其中空气，作为纺丝芯层溶液；

(2)壳层溶液的配制

首先将水溶性生物高分子B配制成质量分数为1～5％的高聚物B溶液，其次将水溶性合成高分子C配制成质量分数为1～10％的高聚物C溶液，然后在常温先将高聚物B溶液和高聚物C溶液混合，最后在混合溶液中加入交联剂作为纺丝的壳层溶液；

(3)多层芯-壳纳米纤维的制备

采用同轴静电纺装置，将步骤(1)制得的芯层溶液注入芯层注射器，将步骤(2)制得的壳层溶液注入壳层注射器，同轴针头侧管装在芯层注射器上，壳层注射器用聚四氟乙烯管连接同轴针头的侧管，通过自动供液泵推进芯层注射器和壳层注射器，通过同轴静电纺制得第一层芯-壳纳米纤维层；在形成第一层芯-壳纳米纤维层基础上，采用同样的方法先后叠加制得第二层芯-壳纳米纤维层、第三层芯-壳纳米纤维层以及多层芯-壳纳米纤维膜；

(4)多层中空纳米纤维膜的制备