[发明专利]一种二维层状复合膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种二维层状复合膜及其制备方法与应用，所述二维层状复合膜包括基膜；二维纳米片，所述二维纳米片垂直设置于所述基膜表面，形成纳米片层；纳米球，所述纳米球分散在所述纳米片层之间。本发明制备的二维层状复合膜，通过正负静电组装达到改善膜层状通道的稳定性，进而保证稳定的纳滤分离性能；利用不同尺寸大小的纳米球可以有效调控层状通道尺寸大小，使得膜孔正好可以截留离子和分子，从而有效解决水通量大时分子离子截留效果差的问题，而且还能降低分离过程中能源消耗；同时引入亲水纳米球以达到增强抗污垢、抗菌能力，从而有效降低膜污染和膜降解。

技术领域

本发明属于分离膜技术领域，具体涉及一种二维层状复合膜及其制备方法与应用。

背景技术

人口增长和环境恶化迫使人们发展先进的水处理技术来实现高效低能耗生产饮用水和净化工业废水。膜分离包括反渗透、正渗透、膜蒸馏、微滤、超滤、纳滤等技术，其中，纳滤是介于超滤和反渗透的压力驱动的膜分离技术。目前反向渗透已经实现污水净化和海水淡化，但反向渗透是一种高耗技术且水恢复率低。相较于反渗透，纳滤能够以更低的能耗除去水中的二价离子及有机分子，对缓解淡水供应具有积极意义。纳滤仅需较低的外界压力即可实现水的分离过程，并且纳滤膜依赖电荷排斥、膜孔筛分、层状通道进行分离，水的回收率高，节能环保，是一种极具潜力的环境友好型技术。广泛用于废水处理，海水淡化、食品果汁浓缩、药物控制与释放等领域。

二维层状膜是近些年新兴的一种纳滤膜，其不仅可能通过电荷排斥和膜孔筛分原理进行分离，还可以通过层状通道对水中物质进行截留。具有比传统高分子纳滤膜更高的水通量更高的分子离子截留率。目前二维层状膜材料主要有氧化石墨烯、二硫化钼、过渡金属碳化物、石墨相氮化碳、层状过渡金属氢氧化物等；这些二维纳米层状材料通过不同的途径和工艺堆叠形成二维层状膜，制备过程简单。在于水处理过程中，传统高分子膜的渗透通量约10LMH/bar，而二维层状膜的通量是前者的数倍，普遍大于30LMH/bar，并且保持对二价离子和有机分子保持90％以上截留率。但现有技术中纯二维材料膜在外压力作用下，二维材料容易压缩，导致层状通过变小，最终导致水通量不断衰减。为解决纯二维材料膜自身结构不稳定性的问题，通常使用内嵌材料(如纳米粒(纳米氧化铝、二氧化硅、层状过渡金属氢氧化物)、纳米片、晶体材料等)支撑二维纳米片，使层状通道保持在一定范围，从而达到稳定的分离性能。这些工艺包括多巴胺修饰、原位生长金属有机共价框架材料、或者两种不同的二维组装制备复合二维层状膜，但这些二维层状膜制备工艺复杂，难以精细调控层状通道大小。而且材料稳定性差，有机材料还容易被水中的微生物降解，无抗菌能力，长时间使用后膜表面易产生生物污垢，严重导致膜孔堵塞和膜生物降解，进而影响膜分离性能和使用成本。此外，已知的大部分二维材料易脱落不宜进行大规模使用。目前的实践证实纳米粒与纳米片能够进行纳米级别的自组装成膜，可以实现亚纳米级层状通道调控，而且制备工艺简单，纳米粒与二维纳米片自组装还能够有效增强膜的物理稳定性，保证稳定的膜分离性能，而且纳米片和纳米粒还具有一定的抗菌能力，还能有效降低回收过程中的能源消耗，更重要的是，目前还没有通过利用纳米粒与二维纳米片自组装来调控层状通道这一简单工艺的研究。

相关技术中制备的纯二维材料膜在外压力作用下，二维材料容易压缩，导致层状通过变小，最终导致水通量不断衰减；二维层状膜制备工艺复杂，难以精细调控层状通道大小，而且材料稳定性差，有机材料还容易被水中的微生物降解，无抗菌能力，长时间使用后膜表面易产生生物污垢，严重导致膜孔堵塞和膜生物降解，进而影响膜分离性能和使用成本；已知的大部分二维材料易脱落不宜进行大规模使用。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种二维层状复合膜，能够通过纳米级别的自组装成膜来实现亚纳米级层状通道调控。

本发明还提出具有上述二维层状复合膜的制备方法。

本发明还提出上述二维层状复合膜的应用。