CN106237874A - 一种海水淡化膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种海水淡化膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海水淡化膜，所述海水淡化膜依次由微孔滤膜、含碳复合层和微孔滤膜三层组成，所述微孔滤膜的孔径为10nm～100μm，该微孔滤膜的材质是高分子、金属或氧化物，所述含碳复合层为含有部分还原的氧化石墨烯、CdS与纳米氧化钛。本发明的复合膜由于两侧有两层微孔滤膜保护，力学性能高，可以保证含碳复合层难以被破坏。含碳复合层能够允许水分子通过，但是海水中的钠离子、钙离子、镁离子等通过率极低。本发明脱盐的效率高，去除率在98%以上。

Description

一种海水淡化膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及离子分离领域，具体涉及一种海水淡化膜及其制备方法和应用。
背景技术
海水淡化一直是科学研究与生产生活中的重要课题。例如，在我国南海的一些岛屿上，淡水直接影响到战士们的生存问题。当前海水淡化主要还是基于蒸馏的技术，例如有热多级闪蒸、热多效蒸馏等技术。
中国发明专利103553167A提出了一种太阳能蒸发海水淡化装置，以解决现有海水淡化技术投资大、造价高、能耗高、对海水的预处理要求高、严重依赖化石、电力能源的问题。该发明的疏水薄膜密封覆盖在薄膜骨架上，海水储槽设置在疏水薄膜的下端，海水入水管穿设在疏水薄膜的下部，浓海水排出管穿设在海水储槽的下部，集水槽设置在海水储槽和疏水薄膜的交汇处，集水箱竖直设置在海水储槽内，且集水箱的上端面与集水槽在同一平面上，淡化水出水管穿设在集水箱的下部，所述排气管竖直穿设在疏水薄膜的上端，曝气头设置在海水储槽内，进气管穿设在海水储槽内并与曝气头连接。中国发明专利102398962A提供了一种用海水势能进行反渗透淡化的装置，其特征在于，包括：海水淡化机组，制盐机组，管道，其中海水淡化机组包括反渗透膜机组，用于将从初级海水处理引入的初处理海水通过管道进入反渗透膜机组，反渗透膜机组置于水平面一定落差深度的位置，将具有势能的海水作用于反渗透膜机组，从而将海水通过反渗透膜去盐，所述反渗透膜机组将海水淡化后使用高扬泵将淡水抽出。
中国发明专利103395915A提供了一种具有RO膜的海水淡化设备工作流程。该发明方法包括：向流入沉砂池(1)的海水中加入NaCLO，经杂质过滤机(2)过滤后由水泵(3)将海水沿进水管抽至调整装置，海水从所述的调整装置流至集水箱(4)；此时海水流经逆渗透膜单元，水泵(3)将海水从所述的集水箱抽至药池(5)内，高压泵(6)将药池内的海水抽至逆渗透膜箱(7)后产生废水和淡水，此时废水经能量回收轮机(8)流至废水处理装置而淡水流至淡水箱(9)，所述的淡水箱内的淡水流经管道过程中加入NaCLO，最后与地下水一起构成纯净水。该发明用于海水淡化或盐水淡化。
采用薄膜反渗透技术进行海水淡化一直是人们的追求目标，因为这种方法成本低、灵活、能耗低。但是，目前薄膜反渗透技术中广泛使用的是有机聚胺膜，其耐化学性差、寿命短，限制了薄膜反渗透技术的发展。
发明内容
发明目的：为了实现低成本地从海水中提取淡水，本发明所要解决的技术问题是提供了一种海水淡化膜。
本发明还要解决的技术问题是提供了一种海水淡化膜的制备方法。
本发明还要解决的技术问题是提供了一种海水淡化膜的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种海水淡化膜，所述海水淡化膜依次由微孔滤膜、含碳复合层和微孔滤膜三层组成，所述微孔滤膜的孔径为10nm～100μm，该微孔滤膜的材质是高分子、金属或氧化物，所述含碳复合层为含有部分还原的氧化石墨烯、CdS与纳米氧化钛。
其中，上述海水淡化膜的厚度为100nm～100μm。
其中，上述高分子为PP和/或PE材料。
其中，上述氧化物为氧化铝。
上述的海水淡化膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化石墨烯的水溶液、CdS的水溶液与纳米氧化钛的水溶液均匀混合；
2)以微孔滤膜为基底，采用真空抽滤法使氧化石墨烯、CdS和纳米氧化钛的混合物溶液在负压下脱水，进而在微孔滤膜基底上相互堆叠自组装为含碳复合层；在抽滤过程中将另一层微孔滤膜包覆在含碳复合层之上，构成三明治结构的复合膜；
3)将三明治结构的复合膜在40～80℃条件下干燥4～24h；
4)通过紫外光照射1～5天，利用CdS/纳米氧化钛的光催化特性使氧化石墨烯部分还原，最终得到海水淡化膜。
其中，上述氧化石墨烯的水溶液质量体积浓度为5～50mg/L，纳米氧化钛水溶液质量体积浓度为5～50mg/L，CdS的水溶液质量体积浓度为5～50mg/L。
其中，上述氧化石墨烯、纳米氧化钛的质量比为1：0.1～0.2，所述CdS、纳米氧化钛的质量比为1：0.5～1。
上述的海水淡化膜在海水淡化方面的应用。本发明的海水淡化膜可以用于各种盐的脱除，特别适合应用在海水淡化领域。
本发明采用微孔滤膜作为支架，隔离海水中微米级以上的颗粒，采用含碳复合层作为脱出海水中的各种盐离子。含碳复合层中的CdS/纳米氧化钛作为光敏催化剂，在紫外光的照射下可以产生电子-空穴对，部分地还原氧化石墨烯，使之产生一种能够允许水分子通过但是能够隔离钠、镁、钾、钙等等离子的通道。
有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的复合膜由于两侧有两层微孔滤膜保护，力学性能高，可以保证含碳复合层难以被破坏。含碳复合层能够允许水分子通过，但是海水中的钠离子、钙离子、镁离子等通过率极低。本发明脱盐的效率高，去除率在98％以上。本发明采用CdS/纳米氧化钛作为催化剂，可以结合这两种材料能带结构的优点，弥补CdS、纳米氧化钛各自光学性能的不足，这样既有利于材料增大材料的对光的吸收波长的范围，同时，电子与空穴在不同材料能带上迁移，也有利于光生电子-空穴的传输与分离，将光的利用效率提高20％以上。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作更进一步的举例说明。
实施例1：海水淡化膜的制备
1)将氧化石墨烯的水溶液、CdS的水溶液与纳米氧化钛的水溶液均匀混合；氧化石墨烯的水溶液质量体积浓度为50mg/L，纳米氧化钛水溶液质量体积浓度为10mg/L，CdS的水溶液质量体积浓度为5mg/L；氧化石墨烯、纳米氧化钛的质量比为1：0.15，所述CdS、纳米氧化钛的质量比为1：0.6；
2)以平均孔径为6.2微米的PP微孔滤膜为基底，采用真空抽滤法使氧化石墨烯、CdS和纳米氧化钛的混合物溶液在负压下脱水，进而在微孔滤膜基底上相互堆叠自组装为含碳复合层；在抽滤过程中将另一层平均孔径为0.3微米的PP微孔滤膜包覆在含碳复合层之上，构成三明治结构的复合膜；
3)将三明治结构的复合膜在60℃条件下干燥14h；
4)通过紫外光照射5天，利用CdS/纳米氧化钛的光催化特性使氧化石墨烯部分还原，最终得到厚度为16微米的海水淡化膜。
配制含有5wt％氯化镁、5at％氯化钠的混合溶液，采用抽滤法测量该薄膜对该溶液的除盐效果，去除镁的效果为99.1％，去除钠的效果为98.5％。
本实施例的海水淡化膜的光的利用效率提高28.3％。
实施例2：海水淡化膜的制备
1)将氧化石墨烯的水溶液、CdS的水溶液与纳米氧化钛的水溶液均匀混合；氧化石墨烯的水溶液质量体积浓度为5mg/L，纳米氧化钛水溶液质量体积浓度为5mg/L，CdS的水溶液质量体积浓度为10mg/L；氧化石墨烯、纳米氧化钛的质量比为1：0.2，所述CdS、纳米氧化钛的质量比为1：0.8；
2)以平均孔径为5.9微米的PE微孔滤膜为基底，采用真空抽滤法使氧化石墨烯、CdS和纳米氧化钛的混合物溶液在负压下脱水，进而在微孔滤膜基底上相互堆叠自组装为含碳复合层；在抽滤过程中将另一层平均孔径为0.2微米的PE微孔滤膜包覆在含碳复合层之上，构成三明治结构的复合膜；
3)将三明治结构的复合膜在40℃条件下干燥4h；
4)通过紫外光照射3天，利用CdS/纳米氧化钛的光催化特性使氧化石墨烯部分还原，最终得到厚度为0.58微米的海水淡化膜。
配制含有5wt％氯化镁、5at％氯化钠的混合溶液，采用抽滤法测量该薄膜对该溶液的除盐效果，去除镁的效果为99.3％，去除钠的效果为98.9％。
本实施例的海水淡化膜的光的利用效率提高25.6％。
实施例3：海水淡化膜的制备
1)将氧化石墨烯的水溶液、CdS的水溶液与纳米氧化钛的水溶液均匀混合；氧化石墨烯的水溶液质量体积浓度为25mg/L，纳米氧化钛水溶液质量体积浓度为20mg/L，CdS的水溶液质量体积浓度为20mg/L；氧化石墨烯、纳米氧化钛的质量比为1：0.2，所述CdS、纳米氧化钛的质量比为1：1；
2)以平均孔径为1.6微米的氧化铝多孔膜为基底，采用真空抽滤法使氧化石墨烯、CdS和纳米氧化钛的混合物溶液在负压下脱水，进而在微孔滤膜基底上相互堆叠自组装为含碳复合层；在抽滤过程中将另一层平均孔径为5.7微米的PP微孔滤膜包覆在含碳复合层之上，构成三明治结构的复合膜；
3)将三明治结构的复合膜在80℃条件下干燥14h；
4)通过紫外光照射3天，利用CdS/纳米氧化钛的光催化特性使氧化石墨烯部分还原，最终得到厚度为8.4微米的海水淡化膜。
配制含有5wt％氯化镁、5at％氯化钠的混合溶液，采用抽滤法测量该薄膜对该溶液的除盐效果，去除镁的效果为99.6％，去除钠的效果为99.1％。
本实施例的海水淡化膜的光的利用效率提高26.2％。
实施例4海水淡化膜的制备
1)将氧化石墨烯的水溶液、CdS的水溶液与纳米氧化钛的水溶液均匀混合；氧化石墨烯的水溶液质量体积浓度为40mg/L，纳米氧化钛水溶液质量体积浓度为50mg/L，CdS的水溶液质量体积浓度为50mg/L；氧化石墨烯、纳米氧化钛的质量比为1：0.1，所述CdS、纳米氧化钛的质量比为1：0.5；
2)以平均孔径为0.4微米的PP微孔滤膜为基底，采用真空抽滤法使氧化石墨烯、CdS和纳米氧化钛的混合物溶液在负压下脱水，进而在微孔滤膜基底上相互堆叠自组装为含碳复合层；在抽滤过程中将另一层平均孔径为8.4微米的PE微孔滤膜包覆在含碳复合层之上，构成三明治结构的复合膜；
3)将三明治结构的复合膜在40℃条件下干燥24h；
4)通过紫外光照射1天，利用CdS/纳米氧化钛的光催化特性使氧化石墨烯部分还原，最终得到厚度为48微米的海水淡化膜。
配制含有5wt％氯化镁、5at％氯化钠的混合溶液，采用抽滤法测量该薄膜对该溶液的除盐效果，去除镁的效果为99.3％，去除钠的效果为99.2％。
本实施例的海水淡化膜的光的利用效率提高27.3％。
实施例5海水淡化膜的制备
与实施例4基本一致，所不同的在于，PP微孔滤膜的孔径为10nm，PE微孔滤膜的孔径为30nm，海水淡化膜的厚度为100nm。
本实施例的海水淡化膜的去除镁的效果为98.3％，去除钠的效果为98.2％，光的利用效率提高28.3％。
实施例6海水淡化膜的制备
与实施例4基本一致，所不同的在于，PP微孔滤膜的孔径为100微米，PE微孔滤膜的孔径为60微米，海水淡化膜的厚度为100微米。
本实施例的海水淡化膜的去除镁的效果为98.5％，去除钠的效果为98.6％，光的利用效率提高26.3％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种海水淡化膜，其特征在于，所述海水淡化膜依次由微孔滤膜、含碳复合层和微孔滤膜三层组成，所述微孔滤膜的孔径为10nm～100μm，该微孔滤膜的材质是高分子、金属或氧化物，所述含碳复合层为含有部分还原的氧化石墨烯、CdS与纳米氧化钛。
2.根据权利要求1所述的海水淡化膜，其特征在于，所述海水淡化膜的厚度为100nm～100μm。
3.根据权利要求1所述的的海水淡化膜，其特征在于，所述高分子为PP和/或PE材料。
4.根据权利要求1所述的海水淡化膜，其特征在于，所述氧化物为氧化铝。
5.权利要求1~4任一项所述的海水淡化膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将氧化石墨烯的水溶液、CdS的水溶液与纳米氧化钛的水溶液均匀混合；
2）以微孔滤膜为基底，采用真空抽滤法使氧化石墨烯、CdS和纳米氧化钛的混合物溶液在负压下脱水，进而在微孔滤膜基底上相互堆叠自组装为含碳复合层；在抽滤过程中将另一层微孔滤膜包覆在含碳复合层之上，构成三明治结构的复合膜；
3）将三明治结构的复合膜在40～80℃条件下干燥4～24h；
4）通过紫外光照射 1～5 天，利用CdS/纳米氧化钛的光催化特性使氧化石墨烯部分还原，最终得到海水淡化膜。
6.根据权利要求5所述的海水淡化膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的水溶液质量体积浓度为5～50mg/L，纳米氧化钛水溶液质量体积浓度为5～50mg/L，CdS的水溶液质量体积浓度为5～50mg/L。
7.根据权利要求5所述的海水淡化膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯、纳米氧化钛的质量比为 1 ：0.1～0.2，所述CdS、纳米氧化钛的质量比为 1 ：0.5～1。
8.权利要求1~4任一项所述的海水淡化膜在海水淡化方面的应用。
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