[发明专利]一种具有MXene排水层的三层结构复合正渗透膜及其制备方法

说明书

本发明针对现有二层结构TFC正渗透膜存在的选择性‑渗透性相互抑制的现象，从材料结构的角度出发，突破了正渗透传统二层结构的理念，增加由二维MXene纳米材料层层堆叠组装而成的排水层，设计并制备三层结构的复合正渗透膜材料。即提供一种含有MXene中间排水层的三层结构的正渗透膜及其制备方法，实现膜选择性和渗透性能的同时提升。

技术领域

本发明涉及正渗透膜制备领域。

背景技术

近年来，正渗透膜分离技术作为一种新兴的水处理技术正在受到广泛的关注，其在海水淡化、渗透发电、污水处理、膜生物反应器、食品加工、医药应用、能源再生等方面具有重要的应用前景。该技术的核心是正渗透膜分离材料，目前，主要的正渗透膜种类包括以醋酸纤维素为主的非对称膜、层层组装膜和薄层复合膜(thin film composite,TFC)三类，其中，TFC正渗透膜是目前国内外正渗透膜材料研究的主要对象，它是由上层致密活性层和下层多孔支撑层复合而成的二层结构，分别提供膜的选择性和渗透性。根据“溶解-扩散”传质原理，TFC膜的渗透性能与活性层的厚度成反比，通过降低该层的厚度能够有效地降低膜的渗透阻力，从而提高渗透性能。但随着活性层厚度进一步降低，多孔支撑层所产生的传质阻力对膜渗透性能的影响会变得越来越明显，特别是当厚度降低到与多孔支撑层孔结构大小相同的时候，这些孔结构会极大地限制渗透物在活性层中的扩散过程，此时，简单地降低活性层的厚度不能带来膜渗透性能的提升，出现渗透性-选择性相互抑制的情况，即高渗透性的膜往往缺乏高的选择性，反之亦然。当前，开发高性能TFC正渗透膜材料的研究思路主要集中于支撑层和活性层的改性上面，包括调控孔结构、化学或物理方法改性、与亲水性高分子共混、掺杂亲水性粒子等都是重要的手段。到目前为止，尽管TFC正渗透膜材料的研发取得了一定的进展，但是，由于受到材料和结构固有性质的限制，难以有效地打破这个相互抑制的瓶颈，制备出兼具高渗透性和高选择性的高性能正渗透膜仍需进一步探索。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有MXene排水层的三层结构复合正渗透膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

(1)制备Ti₃C₂T_X-MXene纳米片；

(2)三层结构复合正渗透膜的制备(2-1)支撑层的制备：在基底上制备聚砜多孔支撑层；

(2-2)排水层的制备:将步骤(1)中制备的Ti₃C₂T_X-MXene纳米片均匀沉积在聚砜支撑层的表面,经过干燥后得到层层堆叠的Ti₃C₂T_X-MXene纳米片排水层；

(2-3)活性层的制备：将间苯二胺水溶液浸没排水层表面，使得排水层浸有间苯二胺；再用苯三甲酰氯的正己烷溶液与浸有间苯二胺的排水层表面进行界面聚合交联反应，获得活性层；经热处理后，获得三层结构复合正渗透膜的制备。

进一步，步骤(1)中，需要采用HF溶液对Ti₃AlC₂进行刻蚀。即将Ti₃AlC₂加入HF溶液中进行刻蚀，得到的悬浮液用乙醇离心清洗，经过真空干燥后，将Ti₃C₂T_X粉末溶解在去离子水中进行超声和离心处理，通过控制超声处理时间，制备不同尺寸的Ti₃C₂T_X-MXene纳米片。进一步，所述的刻蚀用HF浓度为20％-80％，刻蚀温度为0-80℃，刻蚀时间为12-36小时。进一步，所述的超声功率为100-1200W，超声时间为10-100分钟。

进一步，步骤(1)中，所述的Ti₃C₂T_X-MXene纳米片尺寸为200nm-5μm。