[发明专利]一种水处理用二维黏土基分离膜的制备方法

说明书

一种水处理用二维黏土基分离膜的制备方法，属于功能材料技术领域。采用前驱液混合—抽滤涂覆或浆液刮涂的方法，以多孔亲水性聚合物薄膜(CA、PES、PS、PVDF)为支撑层基底，在其表面自组装交联物插层的二维黏土基超薄致密膜，以实现对有机物大分子的高效截留同时保证水通量。

技术领域

本发明涉及一种水处理用二维黏土基分离膜的制备方法及其应用。该分离膜利用尺寸限域和电荷排斥双重效应，可以实现溶液中有机物大分子的筛分同时保证良好的水通量，属于功能材料技术领域。

背景技术

纳滤膜是一种新型高精度分离膜，其截留分子量位于超滤膜(10～100nm)和反渗透膜(0.1～1nm)之间，孔径尺寸约为1nm左右。纳滤膜可以有效截留水中的多价盐和有机污染物，食品医药领域内的糖类、农药以及杀虫剂等大分子。目前商业化采用的纳滤膜通常是由双层复合结构组成，一层为起支撑作用的多孔聚合物基底，一层为起分离作用的超薄致密膜。超薄致密膜通常为界面聚合法所得聚酰胺膜，其需要在高压的条件下运行，能耗较高。其次是在酸性条件下，聚酰胺的酰胺键是不耐活性氯，从而导致膜材料的损坏。近年来，二维材料在纳滤膜的设计和性能研究方面取得了重要进展。得益于其层片间堆叠产生的纳米流体通道，同时带来尺寸限域和电荷排斥效应，用于筛分和过滤纳米粒径的污染物。2012年至2014年间，安德烈·海姆报道了水分子在氧化石墨烯(GO)二维纳米通道中超快的传输机理，并发现了GO膜对离子和分子精准的超快筛分特性，证实了其作为水处理纳滤膜的可行性，参见参考文献[1-2]。此后，包括GO、MXene、MoS₂以及g-C₃N₄在内的二维材料在分子离子筛分方面得到广泛研究。参考文献[1]：R.R.Nair,H.A.Wu,P.N.Jayaram,I.V.Grigorieva,A.K.Geim.Unimpeded Permeation of Water through Helium-Leak-Tight Graphene-Based Membranes.Science,2012,335(6067),442-444.参考文献[2]：R.K.Joshi,P.Carbone,F.C.Wang,V.G.Kravets,Y.Su,I.V.Grigorieva,H.A.Wu,A.K.Geim,R.R.Nair.Precise and Ultrafast Molecular Sieving through Graphene OxideMembranes.Science,2014,343(6172),752-754.

虽然上述二维材料在水处理过滤筛分方面取得了一定的研究进展，但材料价格往往较为昂贵，且制备过程有危险性气体产生以及方法较为复杂等原因，不能较好的适用于商业化应用。二维黏土基材料(蒙脱土、高岭土、蛭石、水滑石等等)具有低成本、易制备且环保无污染等特点，二维黏土基分离膜具有纳米尺寸的层间距和丰富的表面电荷，已被证实在纳流体能量转换方面具有广泛应用，参见参考文献[3-4]。因此，利用黏土基二维膜的尺寸限域和电荷排斥作用，有望实现水中高价离子及有机污染物的截留。参考文献[3]：ZhouY,Ding H,Smith A T,et al.Nanofluidic energy conversion and molecularseparation through highly stable clay-based membranes.J.Mater.Chem.A,2019,7(23):14089-14096.参考文献[4]：Cao L,Wu H,Fan C,et al.Lamellar porousvermiculite membranes for boosting nanofluidic osmotic energy conversion[J].J.Mater.Chem.A,2021,9(25):14576-14581.

发明内容

本发明的内容在于提供一种工艺简单且可大面积制备的二维黏土基分离膜的制备方法。为实现上述目的，本发明采用前驱液混合—抽滤涂覆或浆液刮涂的方法，以多孔亲水性聚合物薄膜(CA、PES、PS、PVDF)为支撑层基底，在其表面自组装二维黏土基超薄致密膜，以实现对有机物大分子的高效截留同时保证水通量。