[发明专利]具有多尺度表面结构的纳滤膜材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种具有多尺度表面结构的纳滤膜材料及其制备方法与应用。通过将具有表面周期纹理的机织织物作为基材，并采用湿法非织造技术在机织织物表面负载聚合物纳米纤维涂层，形成具有表面周期纹理结构的纳米纤维涂层膜；再采用界面聚合法制备聚哌嗪酰胺纳滤分离层，并使其包裹覆盖于聚合物纳米纤维涂层，使聚哌嗪酰胺纳滤分离层同时具备表面周期纹理结构和峰谷结构，形成具有多尺度表面结构的纳滤膜材料。通过上述方式，本发明能够赋予纳滤膜材料多尺度的表面结构，有效提升其渗透性与抗污性，使其能够应用于切向流液体的纳滤领域；且该纳滤膜材料的制备工艺简单、可控性强，易于规模化制备，能够满足实际工业化生产与应用的需求。

技术领域

本发明涉及膜过滤技术领域，尤其涉及一种具有多尺度表面结构的纳滤膜材料及其制备方法与应用。

背景技术

由于人口和经济的快速增长，水污染和水资源短缺已经演变成一个全球性的挑战。在所有现有的海水淡化技术中，压力驱动的膜基技术，如反渗透膜(RO)和纳滤膜(NF)，是最节能和技术最成熟的。纳滤膜可以截留多价盐和有机分子，同时具备低能耗、高通量的特点，使其成为一种理想的水处理技术，因此纳滤膜可广泛应用于生产、生活用水的净化和软化，物料回收，处理生活废水、工业废水等方面。

但是在实际的生产应用中，纳滤技术仍然存在许多挑战，其中膜污染会堵塞膜孔，严重影响纳滤膜的分离性能，致使膜渗透率降低，使用寿命缩短。若使用现有的物理清洗、化学清洗以及更换新膜的方法处理膜污染的问题，虽有效果，但不仅会增加操作成本，同时也并未完全解决膜污染问题。因此，解决上述膜污染问题需要从纳滤膜分离层的结构入手，优化其在切向流条件下的抗污性及渗透性，制备出性能优异的抗污纳滤膜，从根本上解决渗透率低及膜污染的问题。

中国专利公开号为CN 110665369 A，公开日为2020.01.10，公开了一种具有原位催化功能的抗污染疏松纳滤膜及其制备方法和应用。该发明采用硫酸铜/双氧水体系催化多巴胺在聚合有机材质超滤膜上聚合交联生成聚合仿生层，为普鲁士蓝层插的镁铝水滑石这一种高效的过一硫酸氢钾纳米催化材料提供负载的“锚点”，从而得到具有原位催化效能的复合疏松纳滤膜。该制备过程中得到的普鲁士蓝衍生物层插的镁铝水滑石，制备工艺较为繁琐，需反复搅拌离心收集，且实验原料硝酸钴急性毒性，对环境有危害，易造成水体污染。

中国专利公开号为CN 110052179 A，公开日为2019.07.26，公开了一种抗污染复合纳滤膜的制备方法。该发明制备的纳滤膜经过两次界面聚合，聚砜超滤膜经过第一次界面聚合，第二次界面聚合时将含非离子类亲水基聚合物的水相溶液倾倒在超滤膜表面，进行二次界面聚合后热处理得到复合纳滤膜。通过二次界面聚合将主链中含有醚键的非离子类亲水基聚合物嵌入到聚酰胺层内，改性后的膜表面平滑、粗糙度降低，以上方法制备的纳滤膜虽然可以提高膜的抗污性，但是引入的非离子类亲水基团会显著减少表面残留羧基的数量，因此膜的亲水性降低，纳滤膜的性能受到影响。

英文文献(Nature Communications 2018,9:2004)报道了一种新型的TFC纳滤膜设计方法，该方法通过纳米结构介导的界面聚合工艺，将纳米颗粒作为牺牲模板材料预加载到支撑多孔膜上，这些预加载的纳米粒子会在支撑膜的表面形成粗糙、不规则的纳米结构,因此界面聚合发生在具有纳米级粗糙度的粗糙表面上，聚合后将纳米粒子水解，形成一个薄的具有广泛的纳米级皱缩结构PA活性层，这种褶皱结构虽有利于提高纳滤膜的通量，但利用该方法制备的纳滤膜在一定程度上抗污效果较差。

有鉴于此，有必要设计一种改进的纳滤膜材料，以解决上述问题。

发明内容