[发明专利]一种外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的方法及装置

说明书

本发明公开了一种外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的方法及装置，具体包括，利用二维纳米片的层层堆叠，构建具有纳米级特征尺寸通道的薄膜，将薄膜与外电场连接，通过外电场对膜内通道的表面电位进行精确调节，进而实现对离子跨膜传输速度的抑制，同时促进水分子的传输速度，进而同步提升了纳米通道膜的截盐能力与透水能力，将这一方法应用于正渗透脱盐，可以打破传统膜分离脱盐过程中选择性与渗透性之间此升彼降的矛盾关系，有效的提升薄膜的脱盐效率。

技术领域

本发明属于纳米材料及功能薄膜技术领域，具体涉及一种外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的方法及装置。

背景技术

海水是水资源的宝库，对于海水的开发利用可以有效的对淡水资源进行补充，因此海水淡化技术应运而生。目前常用的海水淡化技术分为两大类：热法海水淡化和膜法海水淡化，热法海水淡化主要为多效蒸馏MED技术和多级闪蒸MSF技术。正渗透、反渗透等脱盐技术是一种以分离膜为核心，利用膜的选择透过性来实现盐离子与水分子的有效分离的海水淡化技术。与传统分离技术相比，膜分离技术具有耗能低、无二次污染、操作简单、分离效率高等特点。然而，目前膜分离技术均受制于渗透性和选择性之间的此升彼降关系的限制。例如，为了实现高脱盐效率，在优化膜的纳米结构方面已经做了大量研究，然而，致密的纳米结构成功提高了对离子的排他性，但也提高了水的渗透性，反之亦然。如何同时提高脱盐率和透水性，是提升膜分离技术脱盐效率的重点也是难点。

发明内容

针对上述现有技术不足与缺陷，本发明的目的在于提供一种外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的方法及装置，通过对外部电压进行精确调控，从而调节膜表面电位，进而提高脱盐效率的水的脱盐方法及装置，解决现有技术中低脱盐率和透水性的技术问题。

为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的方法，包括如下步骤：步骤一：制备单层二维纳米片，利用纳米片层的平行堆叠制备纳米通道薄膜；步骤二：以纳米通道薄膜为工作电极，与参比电极和对电极构成三电极体系；纳米通道薄膜的一侧为汲取液，另一侧为盐溶液，构建正渗透系统；步骤三：通过外电路将工作电极的电位调整为负电位。

可选的，所述的通过外电路将工作电极的电位调整为负电位的范围为-0.2v～-0.8v。

可选的，所述的通过外电路将工作电极的电位调整为负电位的范围为-0.5v。

可选的，所述的盐溶液与汲取液的摩尔浓度比为1：(5～50)。

可选的，所述的盐溶液与汲取液的摩尔浓度比为1：10。

可选的，所述的参比电极为甘汞电极或Ag/AgCl电极；所述的对电极为铂电极。

可选的，所述的纳米通道薄膜的制备方法为：通过抽滤、旋涂、滴涂、刮涂或喷涂，将多个单层二维纳米片层层堆叠，形成具有层状结构的纳米通道薄膜。

可选的，所述的二维纳米片为导体或半导体二维材料制成的片体，包括MXene、石墨烯衍生物、过渡金属硫化物和金属有机框架；纳米通道薄膜的膜内纳米片层之间形成相互贯通的纳米通道，纳米通道的直径稳定于0.3～1.5nm。

可选的，所述的二维纳米片选自Ti₃C₂T_x纳米片、氧化石墨烯纳米片和二硫化钨纳米片中的至少一种。

一种外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的装置，所述的装置实现本发明任一所述的外电场调控提升纳米通道膜脱盐性能的方法，具体包括：沿轴向设置渗透室和汲取室；渗透室一端连接设置参比电极和对电极，渗透室和汲取室于轴向连通，并在连通处依次叠设第一垫环、工作电极连接件、纳米通道薄膜和第二垫环。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：