[发明专利]一种用于膜蒸馏海水淡化的COF薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明的一种用于膜蒸馏海水淡化的COF薄膜材料，COF薄膜上有大小不一且随深度梯度环境变化亲疏水孔道；用途为用于膜蒸馏海水淡化，该薄膜具有以下几个特点使得膜蒸馏的通量和截留率性能优异：疏水性的孔道，只允许水蒸气通过而阻挡液体通过，理论截留率达到100％；材料具有高孔隙率的特点，使得水蒸气在单位面积内拥有较多的传质通道；结晶性和取向性好，水蒸气在垂直于基底的规整贯穿孔道中的传质阻力低，从而提高通量；厚度为纳米级，大大缩短了水蒸气的传质距离从而提高通量。

技术领域

本发明属于海水淡化领域，具体涉及膜蒸馏海水淡化领域。

背景技术

膜蒸馏(membrane distillation,简称MD)是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种新型分离技术。其以疏水微孔膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力，一定温度的料液与膜接触，由于膜的疏水性，料液不能穿过膜孔，但在膜孔处料液中的水分可以汽化并以水蒸气形式穿过膜孔到达膜的另一侧，而料液中的其他非挥发性组分则被截留，达到分离的目的。膜蒸馏依据形式可分为直接接触式膜蒸馏、真空式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、吹扫式膜蒸馏等。膜蒸馏的膜材料通常有聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、陶瓷材料等。PVDF膜可通过溶剂致相分离法、热致相分离法或者静电纺丝法制备，其长期使用温度可达到120℃，且具有良好的疏水性、化学稳定性和优异的机械强度。PTFE膜通常采用熔融拉伸法和烧结法制备。在大多膜蒸馏过程中，PTFE膜表现出高抗润湿性、优异的通量和良好的稳定性。因此，通常用于商业和中试阶段的膜蒸馏系统。PP膜可通过拉伸法、热致相分离法制备，相比其它膜蒸馏用膜，PP膜的疏水性、抗氧化性、抗污染性等都较差，这也限制了其在膜蒸馏领域的应用。膜蒸馏作为一种新兴的海水淡化与水处理技术，在处理高浓度盐水和利用低品位热方面具有巨大优势，可有效缓解世界水资源危机。但常用于膜蒸馏的传统聚合物疏水膜通量小、长循环稳定性差、膜污染和膜浸润等问题始终限制了该技术的发展。科研工作者通常需要对疏水膜表面进行亲水性改造以增强抗污染性能，但改性过程复杂且额外增大了传质阻力从而进一步降低了通量。

发明内容

发明目的：提高膜蒸馏的通量和截留率。

技术方案：一种用于膜蒸馏海水淡化的COF薄膜材料，其特征在于，COF薄膜上有大小不一且随深度梯度环境变化亲疏水孔道。用途为用于膜蒸馏海水淡化。

一种用于膜蒸馏海水淡化的COF薄膜材料制备方法，步骤为：

(1)COF膜的合成：将催化剂加入装有去离子水的烧杯中，其浓度为0-2.0mol/L。将两种COF单体A和B加入乙酸乙酯溶液中，配置特定浓度。将催化剂溶液加入玻璃瓶中，再加入配置好的混合单体溶液，后将玻璃瓶密封并放置在0-80℃下，反应时间3-14天；待淡黄色的COFTD薄膜在瓶壁上生成，倒掉全部母液，分别用乙酸乙酯和乙醇浸泡淋洗瓶壁上的COFTD薄膜，并将COFTD薄膜在去离子水中浸泡24h后自动脱落；

所述的单体A为1,3,5-三-4-氨基苯基苯、联苯胺、2,6-二氨基蒽、5,5'-二氨基-2,2'-联吡啶、三(4-氨基苯基)胺、四-(4-氨基苯)乙烯、2,4,6-三(4-氨基苯基)-1,3,5-三嗪、对苯二胺任一种，浓度范围为0.25-4.0mol/L；

所述的COF单体B为2,5-二-羟基对苯二甲醛、均苯三甲醛、4-羟基间苯三甲醛、三醛基间苯三酚、1,4-二醛基-2,5-二乙烯基苯、1,3,5-三(对甲酰基苯基)苯中任一种；浓度范围为0.375-6.0mol/L；

(2)COFTD薄膜的刻蚀

将洗净的COFTD薄膜浸泡在浓度为0-1M的NaOH水溶液中，化学刻蚀0-48h，COFTD薄膜逐渐从瓶壁脱落，后分别用去离子水、乙醇、乙酸乙酯浸泡清洗三次，将COFTD-Ex薄膜转移至商用基底得到复合膜，备用。

所述的催化剂为三氟甲基磺酸钪、乙酸、对甲基苯磺酸中任一种。