CN110776061A - 一种光响应复合分离膜在水处理中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理领域，具体的说是一种光响应复合分离膜在水处理中的应用。光响应复合分离膜在水处理分离中的应用。本发明提供了一种多功能膜分离技术，即以良好光热转化性能的复合膜为核心，在分离过程中采用压力驱动和光热驱动耦合的方式，极大地提高了复合膜的分离性能，避免了能量的浪费，可广泛应用于海水淡化、污水处理等领域。

Description

一种光响应复合分离膜在水处理中的应用
技术领域
本发明属于水处理领域，具体的说是一种光响应复合分离膜在水处理中的应用。
背景技术
淡水资源短缺已成为一个全球性问题，许多国家和地区都面临着严重的水危机。随着经济的持续发展和人口的急剧增长，人们对水的需求量逐渐增大，并且对水质要求越来越高，但是工业水污染及人类生活用水的浪费等导致水资源形势更加严峻，因此开发水处理技术，实现污水再利用及海水淡化是解决水危机的重要途径。在众多的水处理技术当中，膜分离技术因具有无相变、操作简单且分离效率高等优点，成为最具有竞争力、前景最为广阔的水处理技术。
传统的膜分离技术包括超滤、纳滤、反渗透等是压力驱动的膜过程，膜性能受原料液温度影响，目前低温水处理往往采用原料液预热或者加压的方式增加膜通，但是以上两种方式必然存在高能耗问题。目前光热蒸发技术可以有效利用清洁可再生太阳光作为能源实现海水淡化，现有碳纳米管、氧化石墨烯、硫化铜等纳米材料被广泛应用到光热转化过程中(王文君，姚自奇，一种基于碳纳米管薄膜的太阳能海水淡化或污水处理方法，专利公开号：CN107311255A；王贤保，侯保飞，朱祥，崔振起，刘行航，王建颖，梅涛，李金华，一种碳基光热转化薄膜及其制备方法和应用及一种光热转化装置，专利公开号：CN107118395A；王贤保，王刚，付洋，一种可重复使用的还原氧化石墨烯基光热转化薄膜及其制法，专利公开号：CN106744831A)；并且研究发现，具有良好光吸收和光热转化能力的光热膜材料可以提高水蒸发效率。但是目前光热蒸发的原理是通过水蒸汽蒸发再冷凝而获得淡水，过程复杂。因此现急需一种低能耗、高效率且操作简便的水处理方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光响应复合分离膜在水处理中的应用。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种光响应复合分离膜在水处理中的应用，所述光响应复合分离膜在水处理分离中的应用。
所述光响应复合分离膜在海水淡化或污水处理中的应用。
所述光响应复合分离膜经光源照射，并在0-30bar的压力下使得光响应复合膜将光能转化为热能，进而加速水的传输，提高分离效率，使得待处理水得以过滤分离。
所述光响应复合分离膜为具有光-热转化性能，对红外光、太阳光或模拟太阳光具有响应性的膜。
所述光响应复合分离膜可按照现有共混、电喷涂、电纺丝、表面沉积、层层自组装、界面聚合等方式制备获得；其中，复合膜的主体可为有机高分子膜或无机膜；所述有机高分子膜为聚砜、聚醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰胺等分离膜。所述无机膜为氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、硅酸盐、硅酸铝等多孔分离膜；
所述膜为经纳米材料修饰的膜，即经光热材料修饰的膜；纳米材料包括碳粉、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点、银、硫化铜、氮化钛等具有光热转换性能的材料。
进一步的说，上述光响应复合分离膜中纳米光响应复合膜可按照下述方式制备获得，以纳米材料为碳纳米管为例：将碳纳米管均匀分散到N-甲基吡咯烷酮中，向上述溶液中加入一定量的聚砜高分子和聚乙烯吡咯烷酮，在一定温度下搅拌，得到均一、稳定的铸膜液，在空气中静置脱泡。脱泡完成后在恒温恒湿的环境下，将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，在空气中挥发一定时间后将其浸入凝胶浴中，经相转化过程即获得碳基纳米复合膜，冲洗后放在蒸馏水中备用。所述碳纳米管的含量为0.01-10wt.％。所述温度为50-70℃。所述脱泡时间为24-48h。
所述过滤方式为微滤、超滤、纳滤、反渗透或正渗透。
性能检测：
将所制备的纳米复合膜安装于透明的膜池中，在膜池上方加光源照射，待膜表面温度稳定后，在一定压力下进行分离性能测试，通过分析一定时间收集透过液的体积计算膜的渗透性能，同时分析原料液和透过液的浓度，计算复合膜的截留性能。
本发明具有如下优点：
本发明通过光响应复合分离膜在水处理中的应用，利用复合膜良好的光吸收和光热转化效应(在250-2500nm的宽波长范围内，其平均吸光率高达94％)，增加膜表面原料液的温度，降低水的黏度，减小过膜阻力，进一步在外加压力作用下，水分子迅速穿过膜，压力驱动和光热驱动耦合作用下复合膜通量比传统压力驱动条件下提高了101.3％；本发明在对水处理过程中利用光响应复合膜将预热和前处理过程有效的结合在一起，有效简化了操作流程，有效地节约了能源。
附图说明
图1为本发明实施例提供的聚砜膜和光响应碳基纳米复合膜在传统压力条件下和压力和模拟太阳光驱动耦合条件下的分离性能。
图2为本发明实施例提供的聚砜膜和光响应碳基纳米复合膜在传统压力条件下和压力和红外光驱动耦合条件下的分离性能。
图3为本发明实施例提供的聚砜膜和光响应碳基纳米复合膜
UV-vis-IR测得的光透过率数据，波长范围250nm-2500nm。
图4为本发明实施例提供的聚砜膜和光响应碳基纳米复合膜的漫反射效率对比图。
图5为本发明实施例提的聚砜膜和光响应碳基纳米复合膜在模拟太阳光光照条件下，红外热成像对比图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步说明。有必要指出的是，此处所描述的具体实施案例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。
本发明采用具有良好光响应及光热转化特性的复合膜作为核心，并利用压力驱动和光热驱动之间的耦合的方式提高复合膜的渗透性能，即充分利用清洁可再生的太阳能与传统分离技术协同作用的方式实现高效水分离，避免了通过加压提高通量造成的高消耗问题，在水处理领域具有广阔的发展空间。
实施例1
光响应碳基复合膜的制备：将1.0g的碳纳米管加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，超声处理1h，使碳纳米管均匀分散于溶剂中，随后向上述溶液中加入15.0g聚砜高分子和3.0g聚乙烯吡咯烷酮，70℃下强力搅拌24h形成均一、稳定的铸膜液，空气中静置24h脱泡。脱泡完成后在恒温恒湿的环境下，将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，在空气中挥发一定时间后将其浸入凝胶浴中，经相转化过程即获得光响应碳基纳米复合膜，冲洗后放在蒸馏水中备用。
聚砜膜制备：将15.0g聚砜高分子和和3.0g聚乙烯吡咯烷酮加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，70℃下强力搅拌24h形成均匀、稳定的铸膜液，空气中静置24h脱泡。脱泡完成后在恒温恒湿的环境下，将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，在空气中挥发一定时间后将其浸入凝胶浴中，经相转化过程即获得聚砜膜，冲洗后放在蒸馏水中备用。
将上述两种分别进行分离性能测试：
1)将上述两种膜分别在压力驱动下进行对含10ppm考马斯亮蓝的水溶液进行分离性能测试：
将上述所得光响应碳基复合膜和聚砜膜分别膜封装在透明测试池中，在1.0bar下测定膜的通量和膜的截留率(参见图1)，经测定光响应碳基复合膜和聚砜膜的通量分别为156Lm-2h-1和132Lm-2h-1，膜的截留率分别为96.46％和96.43％；
其中，膜的通量公式J＝V/At计算膜的通量其中V为透过液体积，A为膜的有效面积、t为操作时间；膜的截留率公式R＝1-Cp/Cf计算膜的截留率分别为其中Cp、Cf分别为渗透液和原料液的浓度，用紫外分光光度计表征浓度具体值。
2)将上述两种膜分别在模拟太阳光光源和压力驱动下进行对含10ppm考马斯亮蓝的水溶液进行分离性能测试：
将上述所得光响应碳基复合膜和聚砜膜分别膜封装在透明测试池中，在膜测试池上方加模拟太阳光光源，光照40min以保证膜表面温度稳定，在1.0bar下测定膜的通量和膜的截留率(参见图1)。
由图1显示，太阳光光照可以增加光响应碳基复合膜的通量，同时截留率几乎保持不变。其中聚砜膜在压力和光热驱动耦合条件下的通量为182Lm-2h-1，比仅压力驱动条件下提高了37.9％，而光响应碳基纳米复合膜通量为314Lm-2h-1，比仅压力驱动条件下提高了101.3％。
实施例2
光响应碳基复合膜的制备：将1.0g的碳纳米管加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，超声处理1h，使碳纳米管均匀分散于溶剂中，随后向上述溶液中加入15.0g聚砜高分子和3.0g聚乙烯吡咯烷酮，70℃下强力搅拌24h形成均一、稳定的铸膜液，空气中静置24h脱泡。脱泡完成后在恒温恒湿的环境下，将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，在空气中挥发一定时间后将其浸入凝胶浴中，经相转化过程即获得光响应碳基复合膜，冲洗后放在蒸馏水中备用。
聚砜膜制备：将15.0g聚砜高分子和和3.0g聚乙烯吡咯烷酮加入N-甲基吡咯烷酮溶剂中，70℃下强力搅拌24h形成均匀、稳定的铸膜液，空气中静置24h脱泡。脱泡完成后在恒温恒湿的环境下，将铸膜液倾倒在干净的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，在空气中挥发一定时间后将其浸入凝胶浴中，经相转化过程即获得聚砜膜，冲洗后放在蒸馏水中备用。
将上述两种分别进行分离性能测试：
1)将上述两种膜分别在压力驱动下进行对含10ppm考马斯亮蓝的水溶液进行分离性能测试：
将上述所得光响应碳基复合膜和聚砜膜分别膜封装在透明测试池中，在1.0bar下测定膜的通量和膜的截留率(参见图2)；
2)将上述两种膜分别在红外灯光源和压力驱动下进行对含10ppm考马斯亮蓝的水溶液进行分离性能测试：
将上述所得光响应碳基复合膜和聚砜膜分别膜封装在透明测试池中，在膜测试池上方加红外灯照射下，光照40min以保证膜表面温度稳定，在1.0bar下测定膜的通量和膜的截留率(参见图2)。
由图2显示，红外灯光照同样可以增加光响应碳基复合膜的通量，而截留率几乎保持不变。其中聚砜膜膜在压力和光热驱动耦合条件下的通量为198Lm-2h-1比仅压力驱动条件下提高了50％，而碳基复合膜通量为303Lm-2h-1，比仅压力驱动条件下提高了94.2％。
此结果与在太阳光光照条件下测试结果相似，由此说明太阳光、模拟太阳光、红外灯以及其它产生热辐射的光源都可以应用到本发明当中。并且光强与时间并没有具体限定，在二者作用效果不破坏膜性质的前提下，水通量提升效果会随光强的增加和光照时间的延长而变大。
实施例3
对上述实施例获得光响应碳基复合膜和聚砜膜分别进行光吸收率评价：
对上述光响应碳基复合膜进行光吸收率的测定，同时以聚砜膜作为对照，具体为利用紫外—可见—近红外光谱仪(UV-vis-NIR)测试样品在太阳光波长范围下(250nm-2500nm)对光的透过率和漫反射率(见图3和图4)。
由图3和4中紫外-可见-近红外光谱得到的数据显示可见，对比聚砜膜，光响应碳基复合膜在整个波长范围内，其透过率和漫反射率分别为3％，较低漫反射率反映了较高的光捕获能力，由此可知光响应碳基复合膜具有优异的光吸收性能。
实施例4
对上述实施例获得光响应碳基复合膜和聚砜膜分别在光照条件下，对水中的表面温度比较：
将光响应碳基复合膜和聚砜膜在强度为1kW/m2模拟太阳光下照射，通过红外热成像仪对其表面温度进行测试(参见图5)。
由图5可知，在模拟太阳光下，光响应碳基复合膜在水中的表面温度高达44℃，而聚砜膜的表面温度为32℃，由此可以看出，碳纳米管的引入赋予光响应碳基纳米复合膜优异的光热性能。
实施例5
光响应银基复合膜的制备：将一定量的银纳米颗粒加入邻苯二甲酸二丁酯溶剂中，超声分散，随后向上述溶液中加入25.0g聚偏氟乙烯粉末，200℃下强力搅拌6h形成均匀的铸膜液，然后将铸膜液置于200℃烘箱中脱泡。脱泡完成后将铸膜液倾倒在预热过的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，并立即浸入凝胶浴中，最后分别在乙醇和蒸馏水中交换浸泡以除去膜中的溶剂，最后储存于蒸馏水中备用。
聚偏氟乙烯膜制备：将25.0g聚偏氟乙烯粉末加入邻苯二甲酸二丁酯溶剂中，200℃下强力搅拌6h形成均匀的铸膜液，然后将铸膜液置于200℃烘箱中脱泡。脱泡完成后将铸膜液倾倒在预热过的玻璃板上，用刮刀使其成均匀薄层，并立即浸入凝胶浴中，最后分别在乙醇和蒸馏水中交换浸泡以除去膜中的溶剂，最后储存于蒸馏水中备用。
将上述两种分别进行分离性能测试：
将上述两种膜分别在压力驱动下进行对含10ppm考马斯亮蓝的水溶液进行分离性能测试：
将上述所得光响应银基复合膜和聚偏氟乙烯膜分别膜封装在透明测试池中，在1.0bar下测定膜的通量和膜的截留率；此外，在膜测试池上方加模拟太阳光照射，光照30min后，在1.0bar下测定膜的通量和截留率。测试结果表明在耦合条件下，两种膜的通量都得以提升，其中银基复合膜的水通量提升效果更明显。
实施例6
光响应氧化石墨基复合膜的制备：以商品AAO膜为基底，采用真空抽滤的方式将浓度为0.1mg/ml的氧化石墨烯溶液沉积在AAO膜表面，从而获得光响应复合膜。
将上述复合膜在压力驱动和模拟太阳光光源和压力驱动下进行对含10ppm考马斯亮蓝的水溶液进行分离性能测试：
将上述所得光响应复合膜膜封装在透明测试池中，在1.0bar下测定膜的通量和膜的截留率；此外，在膜测试池上方加模拟太阳光照射，光照30min后，在1.0bar下测定膜的通量和截留率。测试结果表明在耦合条件下，氧化石墨烯复合膜的水通量明显提升。
以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，本领域的技术人员在本发明的启示下，在本发明宗旨涵盖的范围内作出的变更仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光响应复合分离膜在水处理中的应用，其特征在于：所述光响应复合分离膜在水处理分离中的应用。
2.按权利要求1所述的光响应复合分离膜在水处理中的应用，其特征在于：所述光响应复合膜在海水淡化或污水处理中的应用。
3.按权利要求1或2所述的光响应复合分离膜在水处理中的应用，其特征在于：所述光响应复合分离膜经光源照射，并在0-30bar的压力下使得光响应复合膜将光能转化为热能，进而加速水的传输，提高分离效率，使得待处理水得以过滤分离。
4.按权利要求1-2任意一项所述的光响应复合分离膜在水处理中的应用，其特征在于：所述光响应复合分离膜为具有光-热转化性能，对红外光、太阳光或模拟太阳光具有响应性的膜。
5.按权利要求4所述的光响应复合分离膜在水处理中的应用，其特征在于：所述膜为经纳米材料修饰的膜。
6.按权利要求3所述的光响应复合分离膜在水处理中的应用，其特征在于：所述过滤方式为微滤、超滤、纳滤、反渗透或正渗透。
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