CN106390766A - 一种具有自清洁功能的仿鼻腔纤毛结构过滤材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿“鼻腔纤毛”结构的纳米纤维过滤膜的结构设计、制备及自清洁方法，该过滤膜兼具水通量大、截留率高以及自清洁等优点。其内容是将静电纺聚丙烯腈纤维膜通过预氧化和碳化得到碳纳米纤维膜，并在其表面吸附催化剂，最终通过等离子体气相沉积技术在膜中纤维表面生长碳纳米管；待膜应用与污水过滤后，将被污染的膜置于直流电场中，通过反复开通和关闭电流，实现膜的自清洁。这种结构特殊之处在于：膜中纤维表面垂直生长了碳纳米管，类似于鼻腔纤毛结构，在提高膜过滤精度和过滤效率情况下，过滤阻力提高极小；此外，在膜清洗时，纤维表面的碳纳米管在电场作用下往同一方向反复移动，直至排出膜中纤维表面污染物，实现膜的自清洁。

Description

一种具有自清洁功能的仿鼻腔纤毛结构过滤材料
技术领域
本发明属于纺织品结构设计领域，特别是涉及一种具有自清洁功能的仿鼻腔纤毛结构过滤材料制备及清洁方法。
背景技术
在现代化工业经济高度繁荣和发展的今天，环境污染正日益成为一个不得不令人关注的严峻问题。液体过滤在国防、工业、农业、医疗等领域有着举足轻重的作用，多年来人们一直致力于液体过滤材料的研究与开发。膜过滤技术作为21世纪最有发展前途的一种液体过滤技术已经引起了越来越多的关注，其中最为常用的膜技术有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)4种。静电纺作为一项制备膜材料的新技术，所制备的纤维膜与传统的过滤膜相比具有以下优点：孔径小、孔隙率高(可达80％甚至更高)、孔的连通性好、膜表面粗糙度高以及低克重等，并且通过静电纺丝制备的纳米纤维膜具有很高的渗透性以及相互贯通的孔结构，作为过滤介质具有操作简单、能耗低且分离效率高等优点，能够广泛地应用于不同的过滤领域。然而，在过滤过程中，溶质或微粒易于沉积在膜表面甚至进入到膜内部，这便造成了膜的易污染性，受污染的膜水通量明显降低，严重缩短了膜的使用寿命。目前广泛采用的解决办法是在膜表面涂覆一层亲水性、高水透过性的薄膜，这种方法能在一定程度改善传统过滤膜的污染问题，然而由于这些涂层的水力阻力，复合膜的水通量势必有所降低。因此，膜污染问题也成为了污水处理领域亟待解决的难题，制约着水清洁技术的发展。
鼻腔是人体对外界空气进行加温、加湿并过滤颗粒细菌的重要通道。作为人体空气过滤器，鼻前孔的鼻毛及反射性喷嚏是过滤空气中较大颗粒的前两道防线，而鼻腔中段的纤毛结构是鼻腔最为重要的过滤场所，它能过滤空气中粒径小于0.5um及以下的颗粒，形成无尘无菌的空气后吸入人体。最难得的是，鼻腔中的纤毛表面易于黏住细菌或灰尘颗粒，在鼻腔中的粘液痰的作用下，鼻腔中的纤毛总是向同一个方向摆动，把过滤出的细菌或颗粒送出鼻腔外，从而实现了自清洁功能，使人呼吸通畅，并保持其过滤效率。因此，模拟“鼻腔”这一天然过滤器的自清洁功能，将其应用于传统的水过滤领域，从而提高过滤膜的抗污染能力，延长使用寿命，是本专利即将说明的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决超滤纳米纤维膜容易受污染的问题，提供一种水通量大、截留率高、耐酸碱污染以及具备自清洁功能的高性能复合超滤膜。
为实现上述目的，本发明涉及的主要内容有两个：
一、仿“鼻腔纤毛”结构过滤材料的制备。
通过静电纺丝技术制备出聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，将纳米纤维膜牵伸之后进行预氧化处理，使PAN的线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不溶不燃，保持纤维形态(PAN纤维通过低温预氧化使热塑性PAN转化成环状或耐热的梯形化合物，使其可承受下一步工艺的高温)。再经高温碳化处理，除去纤维中大量的氧、氮和其他元素，得到碳纳米纤维膜(图1)。把制备好的碳纳米纤维膜经催化剂处理之后(图2)，利用等离子化学气相沉积(PECVD)技术在膜中的纤维表面垂直生长出均匀的一层碳纳米管(图3)。这种碳纳米网结构与PAN碳纤维膜共同构建出一种均匀致密并且连接性优良的超滤膜。这种超滤膜的结构特点在于纤维膜上生长的CNTs加了其本身的比表面积，提高了复合膜的截留率。特别是PECVD这种方法使得碳纳米网在碳纤维膜表面能够更加稳定的存在，不容易脱落。经过碳化处理的PAN纤维膜以及CNTs均具备比较高的耐化学腐蚀性能，比传统的聚合物纤维更加适用于过滤材料。
二、仿“鼻腔纤毛”结构过滤材料的“自清洁”。
将过滤后被污染的过滤材料置于电场环境中，置于电场正负两极之间(图4)。接通电源后，纤维表面的CNTs于电场牵引作用下，CNTs自由端向电场正极方向移动。关闭电源后，由于CNTs由于根部的应力回到初始状态。再次接通电流，CNTs自由端依然向正极方向移动。关闭电源后CNTs则会回位。在CNTs的反复的同方向推动下，纤维表面的污染物则会向同一方向迁移，最终被排除过滤材料外(图5)，这种纤维表面生长的CNTs，类似于鼻腔中的纤毛结构，在电场的辅助作用下，通过向同一方向反复的移动，将污染物排出过滤材料外，实现了过滤材料的自清洁。
为实现上述目的，所采取的技术方案：一种具有自清洁功能的仿鼻腔纤毛结构过滤材料制备及清洁方法，包括以下步骤：
一、按质量分数将聚丙烯腈(PAN)粉末和溶剂混合，经加热搅拌直至分散均匀，静置一段时间将纺丝液注入到注射泵中，在温湿度一定的条件下，利用滚筒接收方式的静电纺丝设备纺丝成膜；将膜从滚筒上取下放在烘箱中干燥24～72小时。
所述的静电纺丝工艺参数中，环境相对湿度为15～55％，温度为15～35℃，纺丝电压为20～25kV，进料速率为0.5～2.0mL/h，纺丝针头与金属滚筒接收器之间的接收距离为15～20cm。
所述的聚丙烯腈(PAN)的相对分子量为15万。
所述的溶剂选N-N二甲基甲酰胺，溶剂的用量为80～90％。
二、将静电纺丝纳米纤维膜经预牵伸之后夹持在石墨板上进行预氧化处理，在空气气氛和程序升温速率为5～20℃/min的条件下，得到预氧化纳米纤维膜；将预氧化纳米纤维膜碳化处理，在氩气气氛中进行石墨化处理，可得到碳纳米纤维膜。
所述的纳米纤维膜原膜在260～290℃空气气氛中进行连续预氧化处理，然后依次在800～900℃和1250～1350℃的氩气气氛中进行低温和高温炭化处理。
三、将碳纳米纤维膜浸渍在催化剂溶液中催化处理一段时间后，放在烘箱中烘干。将催化剂处理后的碳纳米纤维膜放置在PECVD设备中处理，PECVD的功率为200～800W，沉积碳纳米管时长为30～90分钟，所使用的甲烷气体为碳源，氢气起到刻蚀作用，和还原金属氧化物和金属盐类作用，甲烷和氢气的流量比例是1∶2.5～1∶3.5。
所述的催化剂硝酸镍和硝酸铁，催化剂溶液浓度为0.06～0.15mol/L。
所述的催化剂溶剂为乙醇。
四、采用纳米二氧化钛为过滤目标，过滤溶液浓度为0.1～1.0g/L。
五、将过滤后被污染的过滤膜如图4所示置于电场环境中，所采用电压为2V～20V，电解质溶液为NaCl溶液，溶液浓度为0.001mol/L～0.1mol/L。两端电极材料可以为铜、铁等导电金属材料，通过控制开关反复循环清洗，循环的次数为200次～800次。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以碳化纳米纤维膜为基底，通过PECVD在碳纤维膜表面低温沉积一层碳纳米网，制备出一种具有自我清洁功能的仿“鼻腔纤毛”结构过滤材料。构建出的这种双层高性能超滤膜，一方面提高纤维膜的过滤精度和截留率，另一方面，重在解决目前存在的过滤膜易于污染，难以清洗及重复使用的问题。
附图说明
图1碳化后静电纺PAN纳米纤维膜；
图2浸渍催化剂后的碳化PAN膜；
图3表面生长CNTs后的PAN纳米纤维膜；
图4污染后的过滤材料“自清洁”装置；
其中，1、正极板 2、负极板 3、污染后的滤材。
图5过滤材料中的单根纤维表面过滤机理。(A)污染物颗粒在纤维表面形貌；(B)通电情况下，污染物颗粒在CNTs作用下向一个方向移动；(C)断电后CNTs和污染物颗粒位置形貌；(D)再次通电后的污染物颗粒依然在CNTs作用下向同一方向移动，直至将污染物颗粒排出织物外。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的具有自我清洁功能的仿“鼻腔纤毛”结构过滤材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1：
一、将3克聚丙烯腈溶于22克N-N二甲基甲酰胺中，并在80℃水浴锅中磁力搅拌4小时，直至溶液分散均匀，形成透明、淡黄色的状态。将纺丝液注入20mL注射泵中，静电纺丝电压为20kV，纺丝针头与金属接收滚筒之间的距离为20cm，纺丝液的喂入速率为1.5ml/L，静电纺丝4小时之后将PAN纳米纤维膜从滚筒上取下，放在60℃的烘箱中干燥24小时。
二、将上述的纳米纤维膜夹持在石墨板之间，以5℃/min的速率升温至270℃并保温2小时，进行预氧化处理；把处理好的预氧化纳米纤维膜高温碳化处理，以氩气为保护气体，从常温以5℃/min的升温速率升至800℃保温1小时，接着以同样的升温速率在1300℃处保温1小时，最好降温至室温状态。
三、配制浓度0.1mol/L的硝酸铁溶液，称取2.5克硝酸铁，同时用100mL的无水乙醇作为溶剂，利用超声波超声10min，将上述碳纳米纤维膜在浸渍在配制好的硝酸铁催化剂溶液中2小时，然后将碳纳米纤维膜取出，放在100℃的烘箱中烘干。
四、将上述催化处理后的碳纳米纤维膜进行PECVD生长碳纳米管，生长条件功率使用200W，氢气和甲烷的通量比例为3∶1，生长时间为20分钟。
实施例2：
一、将4克聚丙烯腈溶于30克N-N二甲基甲酰胺中，并在80℃水浴锅中磁力搅拌4小时，直至溶液分散均匀，形成透明、淡黄色的状态。将纺丝液注入20mL注射泵中，静电纺丝电压为15kV，纺丝针头与金属接收滚筒之间的距离为15cm，纺丝液的喂入速率为1.5ml/L，静电纺丝4小时之后将PAN纳米纤维膜从滚筒上取下，放在60℃的烘箱中干燥48小时。
二、将上述的纳米纤维膜夹持在石墨板之间，以10℃/min的速率升温至270℃并保温2小时，进行预氧化处理；把处理好的预氧化纳米纤维膜高温碳化处理，以氩气为保护气体，从常温以5℃/min的升温速率升至850℃保温1小时，接着以同样的升温速率在1350℃处保温1小时，最好降温至室温状态。
三、配制浓度0.1mol/L的硝酸镍溶液，称取3克硝酸镍，同时用100mL的无水乙醇作为溶剂，利用超声波超声10min，将上述碳纳米纤维膜在浸渍在配制好的硝酸镍催化剂溶液中2小时，然后将碳纳米纤维膜取出，放在100℃的烘箱中烘干。
四、将上述催化处理后的碳纳米纤维膜进行PECVD生长碳纳米管，生长条件功率使用400W，氢气和甲烷的通量比例为2.5∶1，生长时间为30分钟。
实施例3：
一、将实施例1所得复合超滤膜用于二氧化钛纳米颗粒溶液进行超滤测试，在相同压力0.05MPa下，在PECVD生长CNTs之前，碳纤维膜的水通量为47620升/平米/小时/巴，截留率为93.3％，在生长碳纳米网之后，复合膜的水通量为46581升/平米/小时/巴，截留率为99.1％。在经过720小时过滤后，生长CNTs前后的两种过滤膜的水通量分别降为39752升/平米/小时/巴和37850升/平米/小时/巴，截留率提升到99.3％和99.7％。
二、对生长CNTs前后的两种过滤膜置于电场环境中，反复循环清洗300次。重新测试清洗后的滤材的过滤性能。两种滤材的水通量升为39918升/平米/小时/巴和45986升/平米/小时/巴，截留率分别为99.3％和99.2％。
实施例4：
一、将实施例2所得复合超滤膜用二氧化钛纳米颗粒溶液进行超滤测试，在相同压力0.10MPa下，在PECVD生长碳纳米纤维网之前，碳纤维膜的水通量为47620升/平米/小时/巴，截留率为93.3％，在生长碳纳米网之后，复合膜的水通量为48937升/平米/小时/巴，截留率为99.4％。在经过720小时过滤后，生长CNTs前后的两种过滤膜的水通量分别降为39752升/平米/小时/巴和38740升/平米/小时/巴，截留率提升到99.3％和99.8％。
二、对生长CNTs前后的两种过滤膜置于电场环境中，反复循环清洗500次。重新测试清洗后的滤材的过滤性能。两种滤材的水通量升为39918升/平米/小时/巴和48086升/平米/小时/巴，截留率分别为99.3％和99.1％。

Claims (7)

1.一种具有自清洁功能的仿鼻腔纤毛结构过滤材料。
2.根据权利要求1，其制备特征在于：通过等离子体化学气相沉积处理，该过滤膜中的纤维表面垂直生长了碳纳米管，构建出一种仿鼻腔纤毛结构的纳米纤维过滤膜，这种特殊结构的过滤膜兼具较高的水通量以及较高的截留率。
3.一种具有自清洁功能的仿鼻腔纤毛结构过滤材料的清洁方法，其特征在于：所述的方法以本过滤膜的仿鼻腔纤毛特殊结构为基础，在纤维膜应用于过滤后，膜受到污染，于电场作用下，污染后的膜中纤维表面的碳纳米管向同一方向方法蠕动，将膜中的过滤杂质颗粒排出膜外，实现过滤材料的自清洁功能。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其制备过程为：利用静电纺丝技术制备纳米纤维膜，然后通过预氧化、碳化处理得到碳纳米纤维膜，将该纤维膜表面沉积催化剂，最后利用等离子体化学气相沉积处理技术，得到该特殊结构的仿鼻腔纤毛过滤膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的静电纺丝工艺参数中，环境相对湿度为15～55％，温度为15～35℃，纺丝电压为20～25kV，进料速率为0.5～2.0mL/h，纺丝针头与金属滚筒接收器之间的接收距离为15～20cm所述的聚丙烯腈相对分子量为15万；所述的纳米纤维膜原膜在260～290℃空气气氛中进行连续预氧化处理，然后依次在800～900℃和1250～1350℃的氩气气氛中进行低温和高温炭化处理；PECVD的功率为200～800W，沉积碳纳米管时长为30～90分钟，所使用的甲烷气体为碳源，氢气起到刻蚀作用，和还原金属氧化物和金属盐类作用，甲烷和氢气的流量比例是1∶2.5～1∶3.5；所述的催化剂硝酸镍和硝酸铁，催化剂溶液浓度为0.06～0.15mol/L。
6.根据权利要求3所述的清洁方法，其实现过程为：将过滤后被污染的纤维膜置于电场正负极之间，通过反复接通和关闭电流。
7.根据权利要求6所述的实现方法，其特征在于：所采用电压为2V～20V，电解质溶液为NaCl溶液，溶液浓度为0.001mol/L～0.1mol/L。两端电极材料可以为铜、铁等导电金属材料，通过控制开关反复循环清洗，循环的次数为200次～800次。
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