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Abstract

本发明属于水处理领域，具体地涉及一种用于水净化的过滤膜的制备方法，该方法包括以下步骤：将活性氮化硼均匀分散在硝酸溶液中、重复抽滤和真空烘干等步骤，该方法所得的过滤膜具有优良的水处理性能，高的热稳定性和结构稳定性，方法简单、环境友好、可靠，且适合规模化制备，这使得活性氮化硼过滤膜在实际应用中具有广泛而巨大价值。

Description

一种用于水净化的过滤膜的制备方法
技术领域
本发明属于水处理领域，具体地涉及一种用于水净化的过滤膜的制备方法。
背景技术
随着全球人口的迅速增加和工业化进程的加快，特别在发展中国家，水污染和水资源的匮乏正严重地威胁着人类的健康和生命。在各种水处理方法中，吸附因其低成本、高效且易于操作已被证明是最有效的方法之一，传统使用的水处理和净化吸附材料为活性炭，其不仅价格便宜而且易于制备合成。然而，由于活性炭的局域非极性特点，导致其对水中污染物吸附能力低，吸附速率慢，重复利用率低，特别是对毒性重金属离子的吸附能力很弱。这些缺陷使活性炭无法满足成分日益复杂的污水处理和净化中的应用。此外，活性多孔氮化硼具有丰富的孔结构、高的比表面积、高的表面吸附活性、耐化学腐蚀性、热稳定性和高温化学惰性等特点，使其不仅适用于高温或酸碱等极端环境处理有机染料、金属离子、油污等各种污染物，而且再生和重复利用更加容易、安全和经济。
但是，活性多孔BN和多孔BN均是是以粉末状态存在的。山东大学的催得良教授课题组通过固态高压方法合成了比表面积为215m2/g的超薄氮化硼空心微米球，这种空心球对碱性黄和亚甲基蓝的吸附容量达到191.7mg/g和116.5mg/g(Lian,G.；Zhang,X.；Zhang,S.；Liu,D.；Cui,D.；Wang,Q.EnergyEnviron.Sci.2012,5,7072-7080)。同时，他们用一步溶剂热法，在高压釜中制备出直径为8纳米的纤维网状结构，虽然比表面积只有114.5m2/g，但对亚甲基蓝具有较快的吸附速率，最大吸附容量高的327.8mg/g(Lian,G.；Zhang,X.；Si,H.；Wang,J.；Cui,D.；Wang,Q.ACSAppl.Mater.Interfaces2013,5,12773-12778)。2013年，澳大利亚迪肯大学的YingChen教授课题组在NatureCommunications上报道了一种多孔氮化硼纳米片，比表面积为1427m2/g，该纳米片能移除比它自身重33倍的乙二醇和29倍的工业石油(Lei,W.；Portehault,D.；Liu,D.；Qin,S.；Chen,Y.Nat.Commun.2013,4,1777)，且具有高效的可重复利用性。哈尔滨工业大学的于杰教授课题组报道的氮化硼片状微米球的比表面积虽然只有196.5m2/g，但对水中的Pb2+和Cd2+的吸附容量达到678.7mg/g和107mg/g(Lian,G.；Zhang,X.；Si,H.；Wang,J.；Cui,D.；Wang,Q.ACSAppl.Mater.Interfaces2013,5,12773-12778)。因为粉末态容易团聚从而导致表面吸附活性位减少，吸附能力下降，并且为了使活性氮化硼从水溶液中分离出来，需要通过过滤或者高速离心，从而耗费大量的时间和能量，所以其水净化效果不能完全满足人们水处理与净化的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种对水中有机和重金属污染物具有高的过滤吸附活性、结构稳定、渗透性好和易于重复使用的活性氮化硼过滤膜。这种活性氮化硼过滤膜采用两步制备：第一步，将活性氮化硼均匀分散在硝酸溶液中；第二步，通过真空抽滤法，将溶液过滤，形成活性氮化硼过滤膜。这种过滤膜不添加任何粘结剂，节约了材料且减少环境污染，合成简单(不需高温处理)，易于大规模生产，从而降低活性氮化硼过滤膜的制造成本。活性氮化硼具有大的表面积、高孔体积、化学惰性、高的机械强度、优良的柔韧性、丰富的羟基和有机表面功能团，以及耐化学腐蚀性等物理与化学特性。因此，活性氮化硼是一个理想的制备过滤膜的材料。同时，这种新型由于水净化的过滤膜具有高吸附能力和优良的机械强度，其拉伸强度高达150MPa。当浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液以20mL/min的恒定流速通过过滤膜时，能将溶液中亚甲基蓝染料分子几乎完全移除的时间高达100min，也就是说，其滤液在实验进行100min后才检测到亚甲基蓝的存在。对于活性炭过滤吸附柱来说，能完全从混合溶液中移除亚甲基蓝染料分子的时间仅为5min，几乎相当于活性氮化硼过滤膜的1/20。此外，因其高的结构稳定性和化学稳定性，故展现出优异再生重复利用能力。对于水溶液中的亚甲基蓝染料分子，经过10次再生/过滤吸附循环后，活性氮化硼过滤膜的处理能力的没有明显的下降。故所得活性氮化硼过滤膜克服了传统活性炭过滤柱水净化效率低，热稳定性低和再生能力差等的缺陷，在水处理与净化领域具有广泛的应用前景。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：
一种用于水净化的过滤膜，其制备步骤为：
(1)将硝酸溶液配制成摩尔浓度为0.05mol/L-10mol/L；
(2)将步骤(1)中得到的硝酸溶液与活性氮化硼以质量比为1:(0.01-1)配制成混合浆料，然后将混合浆料搅拌2-24h，以保证多孔氮化硼均匀分散在硝酸溶液中；
(3)取步骤(2)中得到的混合浆料10-50ml，注入到直径为55mm的预置有滤膜的布氏漏斗中，通过用真空过滤的方式，将溶液过滤掉，而活性氮化硼附在布氏漏斗中，形成了混合膜；
(4)于步骤(3)所得混合膜上再放置一层滤膜，再取步骤(2)所得混合浆料10-50ml注入漏斗中进行抽滤，并重复此步骤5次得到5层混合膜；
(5)将步骤(4)中得到的5层混合膜一起放入真空烘干，真空度为<4MPa，温度20℃-80℃，保温时间为1h-10h,去掉最上面一层混合膜，即可得到4层用于水处理的过滤吸附膜；
上面步骤(2)中所述的活性氮化硼为活性氮化硼纤维或者带状活性氮化硼。
本发明的有益效果是：
1.本发明方法所得到的产物为活性氮化硼过滤膜，其不需要用到粘结剂，不仅降低了成本，而且减少环境污染。
2.本发明采用的原料为活性氮化硼，易得，环保，成本低。
3.本方法制备用于水净化的过滤膜具有优良的水处理性能，高的热稳定性和结构稳定性，方法简单、环境友好、可靠，且适合规模化制备。这使得氮化硼过滤膜在实际应用中具有广泛而巨大价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施对本发明进一步说明。
图1为实施例1中制备用于水净化过滤膜的数码相片图；
图2为实施例1中制备用于水净化过滤膜的水接触角图；
图3为实施例1中铅离子水溶液通过用于水处理过滤膜和活性炭吸附柱的穿透曲线对比图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的用于水净化的过滤膜由以下步骤制得：
(1)取去离子水1L，并向其中加入浓度为14mol/L的浓硝酸溶液，然后将混合物搅拌，得到均匀的浓度为1mol/L的硝酸溶液；
(2)将步骤(1)中得到的硝酸溶液和带状活性氮化硼以质量比为1:0.1混合，即向混合浆料中加入100g的多孔氮化硼，然后剧烈搅拌3h，使活性氮化硼均匀分布在硝酸溶液中；
(3)取步骤(2)中得到混合浆料20ml，注入到一个直径为55mm的布氏漏斗中，布氏漏斗中预置了一层滤膜，通过用真空过滤的方式，将溶液过滤掉，而活性氮化硼附在布氏漏斗中，形成了混合膜；
(4)于步骤(3)所得混合膜上再放置一层滤膜，再取步骤(2)所得混合浆料20ml注入漏斗中进行抽滤，并重复此步骤5次得到5层混合膜；
(5)将步骤(4)中得到的混合膜放入50℃真空干燥箱中，真空度为<4MPa，保温7h后，去掉最上层混合膜，得到4层过滤膜。
所得过滤膜的实物图片如图1所示，可见其具有优良的机械强度和柔韧性，说明在实际应用过程中不易断裂破损，耐用性好。接触角检测显示该过滤膜具有超亲水性，如图2所示，这种超亲水特性有利于水溶液在较低的压降条件下顺利通过过滤膜，增强其渗透性和污水处理能力。最后，将本实施例所得的过滤膜同活性炭过滤吸附柱同时用于水溶液中铅离子的吸附检测，结果见图3，可以看出本发明所得到的过滤膜能有效处理超过2000mL的铅离子水溶液，且其滤液中铅离子的浓度约为0.01mg/L。此污水处理量相当于在同样的实验条件下混合过滤吸附膜连续工作17h。然而，活性炭过滤吸附柱几乎对水溶液中的铅离子没有起到过滤吸附的作用。
实施例2、例3、例4、例5
将实施例1中步骤(1)中硝酸溶液的浓度改为0.05mol/L、0.1mol/L、0.5mol/L、10mol/L，其它的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例6
将实施例1中步骤(1)中带状活性氮化硼改为活性氮化硼纤维，其它的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例7、例8、例9、例10
将实施例1中步骤(2)中硝酸溶液与活性氮化硼以质量比为改为1:0.01、1:0.05、1:0.5、1:1，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例11、例12、例13
将实施例1中步骤(2)的搅拌时间分别改变为2小时、10小时、24小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例14、例15、例16
将实施例1中步骤(4)的烘干温度改为20℃、40℃、80℃，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。
实施例17、例18、例19
将实施例1中步骤(4)的保温时间分别改变为1小时、3小时、10小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到产物同实施例1。

Claims (3)

1.一种用于水净化的过滤膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将硝酸溶液配制成摩尔浓度为0.05mol/L～10mol/L；
将步骤(1)中得到的硝酸溶液与活性氮化硼以质量比为1:0.01～1配制成混合浆料，然后将混合浆料搅拌2～24h；
取步骤(2)中得到的混合浆料10-50ml，注入到直径为55mm的预置有滤膜的布氏漏斗中，通过用真空过滤的方式，将溶液过滤掉，得到混合膜；
于步骤(3)所得混合膜上再放置一层滤膜，再取步骤(2)所得混合浆料10-50ml注入漏斗中进行抽滤，并重复此步骤5次得到5层混合膜；
将步骤(4)中得到的5层混合膜一起放入真空烘干，其真空度为<4MPa，温度20℃～80℃，保温时间为1h～10h,去掉最上面一层混合膜，即可得到4层用于水处理的过滤吸附膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于水净化的过滤膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中所用的活性氮化硼为活性氮化硼纤维或带状活性氮化硼。
3.根据权利要求1所述的一种用于水净化的过滤膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中硝酸溶液浓度为1mol/L；所述步骤(2)中所述的混合浆料配制过程中所用硝酸溶液和活性氮化硼的质量比为1：0.1，搅拌时间为3h；将所述将步骤(3)中所取的混合浆料体积为20ml；所述步骤(5)中真空烘干温度为50℃，保温时间为7h。
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