[发明专利]一种纺锤状MXene-碳纳米管二维膜及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种纺锤状MXene‑碳纳米管二维膜及其制备方法与应用。该二维纳滤膜是以MXene片层为膜骨架，以碳纳米管为膜孔道调控材料，通过复合组装过程，在多孔聚合物支撑层上堆叠而成。制备好的纳滤膜放置在去离子水中保存待用。本发明方法可以有效的构造纺锤形孔道结构。本发明所制备的纳滤膜具有超高水通量及小分子有机染料截留率，稳定性强，机械强度高。本发明制备方法简单易行、可控性强、生产成本较低且无污染，具有很大的应用前景。

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种纺锤状MXene-碳纳米管二维膜及其制备方法与应用。

背景技术

水是地球所有生命生存的基础。工业经济的高速发展，给社会带来了巨大的进步，同时带来了一系列严重的问题。在众多问题中，水污染的问题尤为突出。尤其是中国这个人均水资源低于世界平均水平的国家，节约用水以及对污水的净化处理有极其重要的战略意义，同时对于人类实现可持续发展有着重要的现实意义。

在现有的水处理技术中，相对于传统分离技术，由于膜分离技术具有高分离效率低能耗和低成本而越来越受到人们的关注，并且应用也越来越广泛。其中，纳滤膜是一种截留分子量在200-1000a之间的压力驱动的分离膜。纳滤技术具有低能耗、低投资、低维护成本、易操作、可靠性高和高通量的特点，它在很多场合可以取代反渗透，因此纳滤膜及纳滤技术已经在食品化工行业、医药行业、污水处理，脱盐工业等领域得到了广泛的应用。

纳滤膜的制备方法主要有界面聚合法、相转化法、荷电化法和共混法等，界面聚合法是使用最广泛的一种纳滤膜制备方法。目前，纳滤膜主要采用聚酰胺作为超薄功能层，使用界面聚合法制备聚酰胺纳滤膜，通过水相中多元胺单体 与油相中的多元酰氯单体在相界面发生聚合反应，形成致密的聚酰胺功能层。界面聚合过程中，需要极其严格地控制反应单体的浓度、反应时间、反应温度及环境湿度等较难控制的条件，这极大地增加了纳滤膜的制备难度，限制了纳滤膜在水处理及各种分离浓缩领域的应用。

近年来新出现的二维膜具有机械强度高，热稳定性和化学稳定性优良，操作简单可控性好等特点，逐渐成为了科学家的研究热点。同时，研究表明，二维膜的分离性能要远高于传统膜。目前，二维膜材料主要有石墨烯/氧化石墨烯材料和类石墨烯材料两大类。其中二维石墨烯/氧化石墨烯膜近年来硏究很广泛，但是其缺点也是很明显的，主要包括制备过程的成本高，在水溶液中不稳定和抗污染能力较差。另外，现有的石墨烯膜水通量普遍较低，Trade off现象严重，在水处理方面仍然无法得到广泛应用。

如何有效选择膜材料，合理设计膜通道，制备岀一种低成本、高水通量高选择性和分离效率高的新型二维纳滤膜已逐渐成为人们研究的重点。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明首要目的在于通过合理设计膜通道，提供一种纺锤状MXene-碳纳米管二维膜及其制备方法与应用，由此方法制备的MXene-碳纳米管二维膜具有超高水通量和选择性，在水溶液中稳定存在，有效缓解trade off 现象，可用于水净化处理领域。

一种纺锤状MXene-碳纳米管二维膜，包括支撑层和分离功能层，所述支撑层位于分离功能层下方；所述的分离功能层为由MXene和碳纳米管形成的具有纺锤形通道的二维堆叠膜，分离功能层的厚度为500-1000微米。

作为改进的是，碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，氨基化多壁碳纳米管，羧基化单壁碳纳米管或氨基化单壁碳纳米管。

作为改进的是，所述支撑层为尼龙膜，PAN膜或AAO膜，且孔径为100-200nm。

一种纺锤状MXene-碳纳米管二维膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备分离功能层所用的 MXene材料

将碳钛化铝加入到盐酸-氟化锂混合溶液中，在30~40℃下240-420rmp转速下搅拌，经过24小时，得到分散液A；其中，盐酸的浓度为6~12M, 碳钛化铝与氟化锂的质量比为1：1~1.5；