[发明专利]一步法原位组装聚电解质制备抗污染超滤膜的方法

说明书

本发明公开了采用一步法原位组装聚电解质制备抗污染超滤膜的方法。该方法主要包括以下步骤：成膜高分子、制孔剂和氧化钛前驱体溶解在溶剂中配制铸膜液，凝固浴为带磺酸基团的聚电解质水溶液，通过非溶剂诱导相转化法制备超滤膜。在一步相转化过程中，前驱体水解成亲水的氧化钛偏析至溶剂‑水界面处，与聚电解质发生氢键和配位相互作用，将聚电解质原位组装至膜表面，赋予超滤膜优异的抗污染性能。本发明的优点主要包括：采用了简单便捷的一步法原位引入聚电解质制备了超滤膜，同步实现成膜和改性；可通过调节氧化钛前驱体的添加量和凝固浴中聚电解质的浓度调整分离膜的表面性质；分离膜具有水下超疏油和超强的抗污染性能。

技术领域

本发明属于抗污染超滤膜的制备方法，尤其涉及采用一步法原位组装聚电解质制备抗污染超滤膜。

背景技术

新型、高效、绿色的膜技术是21世纪最有竞争力的水处理技术之一。膜技术的核心在于制备具有选择性的分离膜，以分离膜进行装置集成与应用。与沉淀、蒸馏、絮凝、吸附等传统水处理技术相比，膜技术具有以下优势：①能耗低。膜技术主要基于物理性质实现分离，多在常温下进行，其理论能量效率比精馏高90％。②操作简单。膜分离装置紧凑，体积小，设备可根据处理量灵活配制，有利于集中化操作。③适用广。膜技术对污水的种类和污染程度几乎没有要求，无需添加助剂即可实现液体分离，不造成二次污染。因此，面向水资源危机，开发仿生启发的膜材料具有重大的科学价值和社会意义，可助力我国国民经济的绿色低碳、高质量发展。

膜污染是膜技术发展的瓶颈问题。废水中的污染物会堵塞膜孔，在膜表面形成滤饼层，造成严重的膜污染，导致通量锐减、能耗增加、清洗频繁和使用寿命缩短等严重的问题。其中，油类污染物于膜表面不可避免的发生氢键相互作用、范德华力或疏水相互作用而难以从净水系统中去除。因此，解决分离体系中的油类污染物问题显得尤为迫切。

据报道，每个磷酰胆碱分子吸收约23个水分子，形成强大的水合层，赋予细胞膜完美防污性能。受此启发，聚电解质在构建抗污染表面展现出十分巨大的潜力。研究表明，具有正琼斯-多尔粘度系数的聚二烯丙基二甲基铵阴离子涂层表面表现出水下自清洁特性，油滴可在2秒内离开表面。通过将聚丙烯酸钠接枝到聚偏氟乙烯膜上获得的聚离子膜表面具有超低的油附着力和自清洁性能。通过季铵化聚阳离子和磺化聚阴离子连续逐层沉积聚电解质，制备了耐污染膜表面。用聚电解质进行表面改性以获得防污性能的常用方法是表面接枝和涂层改性。但这些方法仍存在一些局限性，包括易堵塞孔洞、难以修饰膜孔、受基质润湿性的影响(由于不相容性，难以在疏水或无机表面进行修饰)和步骤繁杂，耗时且缺乏简单性和通用性。表面偏析是一种简单的原位改性方法，带电的亲水基团可在相分离过程中富集于膜表面，该方法的优点在于膜改性过程与相转化过程同步进行，不依赖于膜主体结构，无需复杂的后处理步骤。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出了一步实现原位组装聚电解质制备抗污染超滤膜的方法。采用了简单的一步表面偏析法原位引入聚电解质，通过氧化钛与聚电解质之间的氢键和配位相互作用制备了有机-无机超滤杂化膜；该制备方法可通过调节氧化钛前驱体的添加量和凝固浴中聚电解质的浓度调整选择性分离层的表面性质；该方法制备的分离膜具有水下超疏油和超强的抗污染性能。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种采用一步法原位组装聚电解质制备抗污染超滤膜的方法，主要包括：将成膜高分子、制孔剂和氧化钛前驱体溶解在溶剂中搅拌加热配制铸膜液；在凝固浴中加入带磺酸基团的聚电解质水溶液通过非溶剂诱导相转化法制备超滤膜。在相转化过程中，铸膜液氧化钛前驱体水解成氧化钛，亲水的氧化钛偏析至溶剂- 水界面处，与带磺酸基团的聚电解质通过氢键和配位相互作用原位组装至膜表面；利用聚电解质与水分子的结合力形成牢固的水合层，从而赋予超滤膜优异的抗污染性能。

本发明所述的制备抗污染超滤膜的方法，具体步骤如下：