[发明专利]一种具有异质结构分离层的复合膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有异质结构分离层的复合膜及其制备方法，其采用多孔支撑基膜吸附一种水相有机胺单体后通过喷墨打印在其表面的特定区域可控沉积第二种水相有机胺单体，利用不同区域中界面聚合反应的差异，形成由至少由两种不同结构组成的连续分离层，即异质结构分离层或通过喷墨打印方式在多孔支撑基膜表面构建由至少两种区域组成的图案化中间层，随后在其表面进行界面聚合反应，利用不同中间层区域中聚合反应的差异，形成异质结构分离层。本发明通过改变异质结构分离层中不同结构的分配比例分布，实现对膜渗透性的大小及空间分布的精确调控，将复合膜用于水处理过程中，可实现膜组件内通量分布的控制与优化。

技术领域

本发明涉及膜制备技术领域，具体涉及一种具有异质结构分离层的复合膜及其制备方法。

背景技术

膜分离，作为一种简便、高效、环保的分离技术，在当今循环经济时代备受瞩目，被认为是解决水污染和净水资源短缺问题的关键性技术。其中，以反渗透和纳滤为代表的压力驱动型膜分离过程，已被广泛应用于工业废水的“零排放”与“资源化”、海水/苦咸水淡化等深度水处理领域，成为人与自然和谐发展的重要保障。膜分离技术的核心在于膜，目前市场上反渗透膜和纳滤膜主要为复合膜结构，由多孔支撑层和分离层构成。膜的分离性能主要取决于最上层的分离层，多孔支撑层主要为复合膜提供应用必要的机械强度。其中分离层主要是通过含多官能团有机胺的水相溶液和含多官能团有机酰氯的油相溶液之间的界面聚合反应制备而成。

近年来，为提高膜系统的分离效率，众多科研人员致力于高通量复合膜的研发。但理论和实践均证实，膜自身的高通量并不等效于膜组件的高通量和膜分离系统的高效率。在以膜组件为基本单元的连续膜分离过程中，由于溶质浓度(渗透压)的沿程上升和给水压力的沿程下降，组件内的局部产水通量会沿原水流动方向不断衰减，即通量失衡现象。膜渗透通量的大幅提高会加重失衡的程度，使过多的产水集中在前段，造成膜利用率的大幅下降。此外，前段偏高的通量不仅容易引发污染失衡，增加组件的污堵风险和清洗频率，而且会使原水流速迅速降低，加重后段的浓差极化，进而导致产水品质的下降。由此可见，通量失衡等放大效应已成为限制膜系统分离效率提升的主要因素，如何突破这一瓶颈，成为亟待解决的问题。

膜的实际分离性能既取决于膜自身的分离特性(渗透性、选择性等)，又受到所处理料液条件(压力、浓度、流速等)的影响。在连续膜分离过程中，料液条件沿流动方向不断发生变化，而膜的渗透性却保持一致，这是造成通量失衡的直接原因。基于以上分析，为解决通量失衡及其引发的系列问题，本发明提出赋予复合膜沿程变化的渗透性，使膜渗透性与料液条件在膜组件内及全流程尺度保持匹配，进而使产水通量在膜组件内均匀分布。

为了实现这一目标，需要对膜组件内任意位置膜的渗透性(即膜渗透性的空间分布)进行精确调控，为此本发明引入一种有效的、不同于传统复合膜分离层的异质结构分离层，即将在分子结构、厚度、形貌等结构特性方面存在显著差异的两种及以上结构引入同一分离层，形成异质结构的特殊设计，其中不同结构的比例可以均匀分布也可以沿特定方向梯度变化。利用结构对性能的决定作用，通过改变不同结构在膜平面维度上的分配比例，影响膜渗透性的大小及空间分布。众所周知，目前复合膜的分离性能在膜平面维度是均一分布的，由于现有膜结构及制膜方法的限制，难以实现对膜渗透性大小及空间分布的精确调控。

发明内容

本发明的目的是一种新型的具有异质结构分离层的复合膜，以解决目前复合膜渗透性大小及其空间分布难以精确调控的问题，优化膜组件内通量分布。

本发明具体采用如下技术方案：

本发明的目的之一是一种具有异质结构分离层的复合膜的制备方法，其采用多孔支撑基膜吸附一种水相有机胺单体后通过喷墨打印在其表面的特定区域可控沉积第二种水相有机胺单体，利用不同区域中界面聚合反应的差异，形成由至少由两种不同结构组成的连续分离层，即异质结构分离层，具体包括如下步骤：

(1)将含多官能团的有机胺溶于水中得到第一水相溶液；