[发明专利]超疏水不锈钢-碳纳米管复合膜的制备及水处理应用

说明书

本发明提供了一种超疏水不锈钢‑碳纳米管复合膜的制备及水处理应用。本发明目的是提供一种具有高强度、柔韧性、超疏水及导电特性的不锈钢‑碳纳米管复合膜的制备方法及水处理应用技术。通过表面活化策略和自催化化学气相沉积技术，在不锈钢载体上原位生长碳纳米管功能层，构筑不锈钢‑碳纳米管复合膜，通过微电场辅助膜蒸馏过程显著提高高盐废水和高有机废水处理性能，并实现原位抗膜污染和抗腐蚀功能。膜制备方法和膜应用策略期望被扩展到其他导电金属基质‑碳纳米管复合膜的制备及其他水处理分离应用如高盐废水、抗生素废水和有机染料废水等分离纯化。

技术领域

本发明涉及一种不锈钢-碳纳米管复合膜的制备及其水处理应用技术，特别提供了制备高强度、柔韧性、超疏水及导电不锈钢-碳纳米管复合膜的方法，通过不锈钢膜载体表面活化和高温化学气相沉积工艺，实现多孔不锈钢载体表面原位构筑超疏水、超多孔和导电碳纳米管功能层，通过微电场耦合强化膜蒸馏过程，该复合膜可显著提高高盐、高有机质等废水的处理能力，具有显著的抗腐蚀和抗污染特性，膜制备方法可扩展到其他导电金属-碳纳米管复合膜的制备，膜应用策略亦可扩展至其他水处理或更多先进分离应用。

背景技术

为减轻水污染和满足纯水供应，膜法脱盐技术相比热法脱盐技术如多级闪蒸(MSF)和多效蒸发(MED)等,具有低能耗、操作简便和使用灵活等诸多优点，已被用来分离纯化传统的废水资源如海水、苦咸水、各类废水如工业高盐废水等。现有的膜法处理技术主要有反渗透、电渗析、纳滤或耦合技术等，尽管具有良好的截留率及灵活的选择性，但存在能耗高、通量低等关键问题。作为膜分离技术的一种，膜蒸馏(MD)具有稳定性高、常压操作、条件温和以及无污染等优点，可同步实现水净化与各类污染物浓缩，尤其适合处理具有挑战性的脱盐应用，如高浓度、高有机质和成分复杂的含盐废水。如果能够充分利用工业余热、废热、地热和太阳能等低成本热源，来处理具有挑战性的高盐废水，实现其高倍浓缩乃至结晶资源化利用，将具有极强的竞争力。目前膜蒸馏用的膜材料大多为有机高分子膜或有机疏水改性的无机膜如陶瓷膜，其存在长期稳定性不足，尤其在极端环境或长期运行条件下会出现膜润湿、污染、通量和截留率衰减等问题。尽管无机陶瓷膜具有良好的热稳定性、机械、化学稳定性，但其脆性和较差的加工处理能力极大地限制了其实际应用。相比之下，金属膜如不锈钢(SS)膜，它表现出更好的机械强度、柔韧性和导电性，这使得它成为解决膜工程应用中机械性能问题的关键。然而，膜污染和膜腐蚀是限制其广泛应用的关键技术瓶颈。此外，多孔不锈钢金属膜载体一般呈现轻微的疏水性，加上其微米级的较大孔径，无论是压力驱动液体膜过程还是蒸汽驱动膜蒸馏过程，均不具备截盐、截有机质和水净化能力，制备具有更高疏水性(如超疏水)、更高液体进入压力的不锈钢膜还需要进一步的开发设计。

为了解决这些问题，本发明通过利用不同构型(平板状、管状和中空纤维等)多孔不锈钢为膜载体，通过采用简单且经济有效的表面活化策略和自催化化学气相沉积(CVD)技术，无需额外添加催化剂实现了在不锈钢膜载体上原位生长碳纳米管(CNT)功能层，构筑新型结构超疏水不锈钢-碳纳米管(SS-CNT)复合膜，该膜具有超多孔、超疏水、良好导电等特性，中空纤维构型的复合膜还具备一定的柔韧性，为实现高效水处理应用提供了关键作用。我们进一步利用不锈钢载体和CNT的高导电性，通过微电场(负极)辅助强化膜蒸馏过程处理有机高盐废水，通过静电排斥机制显著提高了抗膜污染性能，通过电子供应机制显著提高了抗腐蚀性能，实现了稳定的高通量和高截盐率，优于现有的无机膜。因此，本发明采用的复合膜制备方法和应用方法具有良好的水处理应用前景，所采用的制备方法和微电场强化应用策略期望被扩展到其他导电的金属基质负载的CNT复合膜及更多的水处理应用领域，如水中抗生素、药物及个人护理品、内分泌干扰物和染料等的分离及资源化。

发明内容