CN109985536A - 一种g-C3N4-PVDF复合膜、制备方法以及应用 - Google Patents

一种g-C3N4-PVDF复合膜、制备方法以及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种g‑C3N4‑PVDF复合膜、制备方法及其应用，该复合膜的制作采用涂膜法，以疏水膜PVDF膜为载体，对以尿素为前驱体制成的g‑C3 N4进行质子化改性处理，提高其亲水性，得到g‑C3N4凝胶，以涂膜技术与PVDF膜技术相结合，通过对制备条件的调控与优化，得到性能优良稳定的g‑C3N4‑PVDF复合膜，利用复合膜在光催化下产生强氧化性物质实现自我净化和复合膜亲水疏油部分对油状废水油相部分的有效截留两大特点，从而在膜蒸馏过程中实现对油状废水的有效处理，大幅度提高了通量及减少了膜污染和膜润湿现象，具有很好的膜蒸馏性能和广阔的应用前景。

Description

一种g-C3N4-PVDF复合膜、制备方法以及应用
技术领域
本发明涉及一种g-C3N4-PVDF复合膜的制作及应用，其属于膜处理废水领域。
背景技术
世界水资源缺乏问题日益严重，我国也是世界上最缺水的国家之一，作为世界第一人口大国，我国人均淡水量仅占全世界人均的四分之一，水资源的缺乏不仅仅会影响到人们的正常生活，作为一种重要资源，水与经济和工业的大致也密不可分。故如果能够高效实现高盐海水或废水的淡化，将成为补充工业用水和生活用水的重要渠道。
现有的淡化技术，主要以膜处理技术为主，例如电渗析，反渗透等，然而电渗析和反渗透在处理高盐废水时脱盐效率不高，且运行和维护成本高，其中电渗析在高电导率的废水或海水中电极板易腐蚀。、反渗透等压力型推动膜分离技术，操作压力大，膜污染也较为严重。
膜蒸馏作为一种新型的膜处理技术，以疏水膜为介质，膜两侧的温度梯度为推动力，处理的废液经过加热后，其中的挥发性成分变为水蒸气，透过膜孔，得到蒸馏液，由于膜的疏水性，废液无法透过疏水膜，故得到的的蒸馏液十分纯净，所以有望成为大规模制备超纯水的新手段。
目前，海水的淡化技术已较为成熟，但对油状废水的淡化处理并不常见，我国对于油气废水的处理水平较国际水平相比不高，故将膜蒸馏技术应用于油状废水的处理成为了一种富有前景的选择。膜蒸馏技术与传统蒸馏技术相比，无需加热到料液的沸点便可得到很好的结果，大大了降低了能耗，而大多油状废水在处理前水温较高，有时可达60℃-70℃，与传统的膜蒸馏技术进行海水淡化时相比，对热源的要求较低，可大幅度减少加热所需的能耗。
但目前膜蒸馏技术常用的膜，如PTFE(聚四氯乙烯)，PP(聚丙烯)，PVDF(聚偏氯乙烯)等，对油的截留效果低，在处理过程中极易造成膜润湿和膜污染现象，出水质量也会相应的降低。
面对上述问题，在不降低膜蒸馏用膜原本具有的疏水性特征下，可利用涂膜技术在原本的疏水膜上涂上一层亲水膜，增强膜蒸馏技术对油的截留效果，同时让水分子快速通过，从而实现油水分离。g- C3N4作为一种新型材料，制作方便，且有多种制备手段，若再进行改性，如质子化处理后，制成的膜具有很好的亲水性，故可将g- C3N4与传统的疏水膜相结合，增强膜蒸馏技术在处理油状废水中的效果。另外，g- C3N4还是一种良好的光催化材料，对环境友好，无需额外紫外光，在自然光下便可吸收光能，形成超氧自由基和羟基自由基等两种强氧化性作用，降解膜表面的污染物，实现自净化。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种g-C3N4-PVDF复合膜、制备方法以及其在油状废水处理中的应用。
为解决上述技术问题，本发明提供一种g-C3N4-PVDF复合膜，包括作为载体的PVDF疏水膜和作为亲水层的g-C3N4薄膜。
进一步，所述g-C3N4薄膜的厚度为10-30μm。
本发明还提供了上述g-C3N4-PVDF复合膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将尿素于70-80℃下干燥24-28h，然后放入马弗炉中煅烧，其中煅烧温度为500℃-550℃，马弗炉的升温速度为2.5-3℃/min温度升至煅烧温度后，保温两个小时，然后自然冷却，最后将得到的固体物质进行研磨，即得到g-C3N4粉末；
步骤二，将步骤一得到的g-C3N4粉末移至圆底烧瓶中，然后加入质量分数为60%-65%的浓硝酸，g-C3N4粉末和浓硝酸质量比为1：82~90，于冷凝器中进行搅拌回流，回流温度为80℃-100℃，回流时间3-4小时，得到g-C3N4凝胶；
步骤三，将步骤二得到的g-C3N4凝胶于自动涂膜机中采用可调式制备器涂抹在置于玻璃板上的PVDF膜上，得到g-C3N4-PVDF复合膜；
步骤四，将步骤三得到的复合膜置于通风处干燥，待膜成型后，放入保鲜盒备用。
另外，本发明还提供了上述g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用。
进一步，采用膜蒸馏的方式对油状废水进行处理，具体过程如下：
步骤一，将油状废水置于进料水箱中，并加热；
步骤二，通过蠕动泵的动力作用，将加热后的油状废水由进料水箱的出水口泵入g-C3N4-PVDF复合膜组件的热侧进水口，油状废水的水相部分在热侧膜面受热蒸发成水蒸气透过g-C3N4-PVDF复合膜上膜孔并液化成水，进入g-C3N4-PVDF复合膜组件的冷侧，从而在g-C3N4-PVDF复合膜上实现油水分离，同时，未发生分离的废水和被截留的油相部分由g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧出水口经进料水箱的进水口返流至进料水箱；
步骤三，液化水由g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧出水口经由蒸馏水箱的进水口进入蒸馏水箱，由天平和计量软件实时记录进入蒸馏水箱的质量变化，进一步计算膜蒸馏的通量变化；同时，蒸馏水箱的水经冷凝器冷凝，再由蠕动泵提供动力经由g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧进水口泵入g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧。
进一步，g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧的加热温度为60-70℃，冷侧的冷却温度为15-20℃。
进一步，步骤二中，由300W氙灯照射g-C3N4-PVDF复合膜的膜面。
本发明所达到的有益技术效果：本发明将改性后的g-C3N4薄膜与PVDF膜结合在一起，制备出g-C3N4-PVDF复合膜具有亲水性和强疏油性，经检测可知，该g-C3N4-PVDF复合膜对油的接触角可达140-150°，水的接触角为10-20°，并采用膜蒸馏技术将其运用到油状废水处理中。该处理过程以g-C3N4-PVDF复合膜组件两侧的温度梯度为推动力，当油状废水经过当油状废水经过g-C3N4薄膜膜面时，油性成分能够被大幅度去除，而水相组分则能够顺利通过，因此，可以对油水进行有效的分离。此外，在300W氙灯照射下，膜面还会产生超氧自由基和羟基自由基两大强氧化性物质，催化分解膜表面污染物，减缓膜污染。
附图说明
图1本发明实施例1-实施例3所得g-C3N4粉末的XRD图；
图2本发明实施例1-实施例3所得g-C3N4-PVDF复合膜与PVDF膜处理油状废水通量变化对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
本发明提供一种g-C3N4-PVDF复合膜，包括作为载体的PVDF疏水膜和作为亲水层的g-C3N4薄膜。所述g-C3N4薄膜的厚度为10-30μm，其对油的接触角可达140-150°，水的接触角为10-20°。
实施例1：g-C3N4-PVDF复合膜的制备一
步骤一，将尿素于70-80℃下干燥24-28h，然后放入马弗炉中煅烧，其中煅烧温度为500℃，马弗炉的升温速度为2.5-3℃/min温度升至煅烧温度后，保温两个小时，然后自然冷却，最后将得到的固体物质进行研磨，即得到g-C3N4粉末；
步骤二，将步骤一得到的g-C3N4粉末移至圆底烧瓶中，然后加入质量分数为60%-65%的浓硝酸，g-C3N4粉末和浓硝酸质量比为1：82~90，于冷凝器中进行搅拌回流，回流温度为80℃-100℃，回流时间3-4小时，得到g-C3N4凝胶；
步骤三，将步骤二得到的g-C3N4凝胶于自动涂膜机中采用可调式制备器涂抹在置于玻璃板上的PVDF膜上，得到g-C3N4-PVDF复合膜；
步骤四，将步骤三得到的复合膜置于通风处干燥，待膜成型后，放入保鲜盒备用。
实施例2：g-C3N4-PVDF复合膜的制备一
步骤一，将尿素于70-80℃下干燥24-28h，然后放入马弗炉中煅烧，其中煅烧温度为530℃，马弗炉的升温速度为2.5-3℃/min温度升至煅烧温度后，保温两个小时，然后自然冷却，最后将得到的固体物质进行研磨，即得到g-C3N4粉末；
步骤二，将步骤一得到的g-C3N4粉末移至圆底烧瓶中，然后加入质量分数为60%-65%的浓硝酸，g-C3N4粉末和浓硝酸质量比为1：82~90，于冷凝器中进行搅拌回流，回流温度为80℃-100℃，回流时间3-4小时，得到g-C3N4凝胶；
步骤三，将步骤二得到的g-C3N4凝胶于自动涂膜机中采用可调式制备器涂抹在置于玻璃板上的PVDF膜上，得到g-C3N4-PVDF复合膜；
步骤四，将步骤三得到的复合膜置于通风处干燥，待膜成型后，放入保鲜盒备用。
实施例3：g-C3N4-PVDF复合膜的制备一
步骤一，将尿素于70-80℃下干燥24-28h，然后放入马弗炉中煅烧，其中煅烧温度为550℃，马弗炉的升温速度为2.5-3℃/min温度升至煅烧温度后，保温两个小时，然后自然冷却，最后将得到的固体物质进行研磨，即得到g-C3N4粉末；
步骤二，将步骤一得到的g-C3N4粉末移至圆底烧瓶中，然后加入质量分数为60%-65%的浓硝酸，g-C3N4粉末和浓硝酸质量比为1：82~90，于冷凝器中进行搅拌回流，回流温度为80℃-100℃，回流时间3-4小时，得到g-C3N4凝胶；
步骤三，将步骤二得到的g-C3N4凝胶于自动涂膜机中采用可调式制备器涂抹在置于玻璃板上的PVDF膜上，得到g-C3N4-PVDF复合膜；
步骤四，将步骤三得到的复合膜置于通风处干燥，待膜成型后，放入保鲜盒备用。
对实施例1-实施例3制得的g-C3N4粉末进行XRD，即X射线衍射分析可知，具有两个明显的衍射峰，分别在13.8°和27.3°处，分别对应于g-C3N4 PDF卡片（87-1526）中的（100）和（002）晶面，说明所制备的粉末中存在三一S一三嗪单元。其中，位于13.8°处的峰是均三嗪单元的面内结构峰；而位于27.3°处的峰是芳香环系统典型的层间堆垛峰，三种样品均无明显杂峰出现。同时，对比文献中的纯相g-C3N4衍射峰，可知500℃下制得的g-C3N4粉末最为接近纯相。
本发明还提供了一种g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用，采用膜蒸馏技术对油状废水进行处理，具体步骤如下：
步骤一，将油状废水置于进料水箱中，并加热；
步骤二，通过蠕动泵的动力作用，将加热后的油状废水由进料水箱的出水口泵入g-C3N4-PVDF复合膜组件的热侧进水口，由于g-C3N4-PVDF复合膜表面的强亲水性和疏油性，油状废水中的油状部分被有效截留和去除，水相部分因g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧和冷侧的温差在热侧膜面受热蒸发成水蒸气透过g-C3N4-PVDF复合膜上膜孔并在冷侧液化成水，进入冷循环，从而在g-C3N4-PVDF复合膜上实现油水分离，同时，未发生分离的废水和被截留的油相部分由g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧出水口经进料水箱的进水口返流至进料水箱，构成膜蒸馏的热循环回路，以保证g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧温度保持在60-70℃；
步骤三，液化水由g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧出水口经由蒸馏水箱的进水口进入蒸馏水箱，由天平和计量软件实时记录进入蒸馏水箱的质量变化，进一步计算膜蒸馏的通量变化；同时，蒸馏水箱的水经冷凝器冷凝，再由蠕动泵提供动力经由g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧进水口泵入g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧，从而构成冷循环回路，以保证g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧温度保持在15-20℃。
实施例4：g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用
以体积比为99:1的正己烷和的油水乳状液为待处理废水，采用实施例1-实施例3制备的g-C3N4-PVDF复合膜以及普通的PVDF膜作为膜组件对待处理油状废水进行处理。其中，膜组件热侧温度为60-70℃，冷却侧温度为15-20℃，天平和计量软件实时记录进入蒸馏水箱的通量变化，每10min记录一次。结果如图2所示，相对于普通PVDF膜，以三种不同煅烧温度下制成的的g-C3N4粉末为原料制成的复合膜，在采用膜蒸馏技术处理油状废水时，可以实现油水分离。其中以500℃煅烧温度下制成的g-C3N4粉末为原料制成的复合膜，处理效果最好。在膜蒸馏处理前后，相对通量的损耗相对普通PVDF膜少了40-50%，膜蒸馏效率和耐久性大幅度提高。这也与图1反映的结果共同表明，在实例1条件下制备的复合膜，具有最好的处理效果 。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种g-C3N4-PVDF复合膜，其特征在于：包括作为载体的PVDF疏水膜和作为亲水层的g-C3N4薄膜。
2.根据权利要求1所述的g-C3N4-PVDF复合膜，其特征在于：所述g-C3N4薄膜的厚度为10-30μm。
3.权利要求1或2所述的g-C3N4-PVDF复合膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将尿素于70-80℃下干燥24-28h，然后放入马弗炉中煅烧，其中煅烧温度为500℃-550℃，马弗炉的升温速度为2.5-3℃/min温度升至煅烧温度后，保温两个小时，然后自然冷却，最后将得到的固体物质进行研磨，即得到g-C3N4粉末；
步骤二，将步骤一得到的g-C3N4粉末移至圆底烧瓶中，然后加入质量分数为60%-65%的浓硝酸，g-C3N4粉末和浓硝酸质量比为1：82~90，于冷凝器中进行搅拌回流，回流温度为80℃-100℃，回流时间3-4小时，得到g-C3N4凝胶；
步骤三，将步骤二得到的g-C3N4凝胶于自动涂膜机中采用可调式制备器涂抹在置于玻璃板上的PVDF膜上，得到g-C3N4-PVDF复合膜；
步骤四，将步骤三得到的复合膜置于通风处干燥，待膜成型后，放入保鲜盒备用。
4.权利要求1或2所述的g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用。
5.根据权利要求4所述的g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用，其特征在于，采用膜蒸馏的方式对油状废水进行处理，具体过程如下：
步骤一，将油状废水置于进料水箱中，并加热；
步骤二，通过蠕动泵的动力作用，将加热后的油状废水由进料水箱的出水口泵入g-C3N4-PVDF复合膜组件的热侧进水口，油状废水的水相部分在热侧膜面受热蒸发成水蒸气透过g-C3N4-PVDF复合膜上膜孔并液化成水，进入g-C3N4-PVDF复合膜组件的冷侧，从而在g-C3N4-PVDF复合膜上实现油水分离，同时，未发生分离的废水和被截留的油相部分由g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧出水口经进料水箱的进水口返流至进料水箱；
步骤三，液化水由g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧出水口经由蒸馏水箱的进水口进入蒸馏水箱，由天平和计量软件实时记录进入蒸馏水箱的质量变化，进一步计算膜蒸馏的通量变化；同时，蒸馏水箱的水经冷凝器冷凝，再由蠕动泵提供动力经由g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧进水口泵入g-C3N4-PVDF复合膜组件冷侧。
6.根据权利要求5所述的g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用，其特征在于：g-C3N4-PVDF复合膜组件热侧的加热温度为60-70℃，冷侧的冷却温度为15-20℃。
7.根据权利要求5所述的g-C3N4-PVDF复合膜在油状废水处理中的应用，其特征在于：步骤二中，由300W氙灯照射g-C3N4-PVDF复合膜的膜面。
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