CN110787648B - 负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于膜材料技术领域，具体涉及一种负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜及其制备方法和应用。该方法至少包括以下步骤：1)以水为分散液，制备纳米多孔氮化硼的水分散液；2)将纳米多孔氮化硼的水分散液在超声分散条件下过第一渗透膜，过液完毕后分离出负载有纳米多孔氮化硼的第一渗透膜，得到待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜；3)将待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜除水，即得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。本发明以水溶液为媒介制备氮化硼纳米片的分散液，再以尼龙微渗透膜为支撑体，可以制备得到用于空气净化的稳定性极高的纳滤膜。

Description

负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于膜材料技术领域，具体涉及一种负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜及其制备方法和应用。

背景技术

人们的日常活动，如烹饪、吸烟以及使用计算机、复印机等现代设备，导致大量的有毒气体逸出来，污染室内空气。室内空气质量的优劣直接影响到人类的健康，其正引起越来越多的关注。特别是逸出的毒性气体如挥发性有机化合物，对人类的眼睛和鼻子等器官产生重大影响，如果长期接触这些污染物，甚至可能导致癌症。目前，减少这些毒性气体影响的通常方法是通过通风降低的其浓度。其他替代方法包括吸附、热氧化、催化氧化、生物过滤等。然而这些室内空气净化技术存在着净化效率低下、对于低浓度的挥发性毒性有机污染物处理能力不足，稳定性差、净化材料合成工艺复杂以及成本高等缺陷。其自身的性能和技术上的缺陷延缓了室内空气净化行业的进一步发展。

氮化硼纳米片，由于其良好的热稳定性、高抗氧化性和优异的吸附性能等特性，在环境净化领域已经引起了广泛的关注。然而，氮化硼纳米片均是以粉末态的形式存在的，在空气净化过程中容易发生团聚现象，堵塞氮化硼纳米片孔道结构，不利于其空气净化性能的发挥。氮化硼纳米片为二维纳米材料，其可制备用于空气净化的纳滤膜，并具有独特的孔道结构，有利于对空气中的挥发性有机污染物进行选择性过滤。在纳滤膜中应用氮化硼纳米片最重要的挑战是制备高分散性氮化硼纳米片悬浮液的可行性。现有的技术通常使用低分散度的氮化硼纳米片或使用有机物溶解对其进行分散，这些工艺过程不仅成本高，工艺复杂，无法制备高效的氮化硼基纳滤膜，而且使用强酸进行剥离，使用有机溶剂分散，环境污染严重。此外，氮化硼纳米片活化不充分，不能形成分散均匀的水悬浮液，也就无法制备具有均匀孔道结构的纳滤膜，最终导致氮化硼纳米片的净化能力得不到充分发挥。制备的氮化硼基纳滤膜不能完全满足室内空气净化的要求。因此，迫切需要一种制备工艺简单、应用水悬浮液、污染小，成本低且产量高的制备纳滤膜技术。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜及其制备方法和应用。该制备方案成本低，不使用强酸或有机溶剂，环境污染小，易于工业化生产，该制得到的滤膜稳定性高，具有很好的空气净化能力。

本发明所提供的技术方案如下：

一种负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：

1)以水为分散液，制备纳米多孔氮化硼的水分散液；

2)将步骤1)得到的所述纳米多孔氮化硼的水分散液在超声分散条件后过第一渗透膜，过液完毕后分离出负载有纳米多孔氮化硼的第一渗透膜，得到待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜；

3)将步骤2)得到的所述待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜除水，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

进一步的，步骤3)中，除水后，将除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜表面覆盖一层第二渗透膜，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

上述技术方案中以水溶液为媒介制备氮化硼纳米片的分散液，再以尼龙微渗透膜为支撑体，再除水，可以制备得到用于空气净化的稳定性极高的纳滤膜。

这种合成方法使用实用的、低成本的，水悬浮技术，实现了氮化硼纳米片在不使用强酸强碱处理的条件下的高产量的水悬浮，并用于随后制备氮化硼基纳滤膜，从而提高了工业生产率，减小对环境的污染。这种方法也克服了现有的合成多孔氮化硼纳米片过程需要强酸强碱、工艺过程复杂的缺点，并利用成熟的工业产品级的氮化硼为原材料，所制备的氮化硼基纳滤膜在各种酸、高温等恶劣条件下实现对空气中毒性有机污染物分子分离和优异的稳定性，在实际空气净化应用中具有广阔的应用前景。

具体的，步骤1)中，制备纳米多孔氮化硼的水分散液的方法包括以下步骤：

a)取质量比为1：(0.01～100)的多孔氮化硼和尿素，并置于pH值为9～13的碱性水溶液中，搅拌0.5～2小时后，再超声0.1～2小时，得到混合水悬浊液；

b)将步骤a)得到的所述混合水悬浊液进行球磨，球磨转速为7000～9000转/每分钟，球磨时间为1～3小时，得到所述纳米多孔氮化硼的水分散液。

上述技术方案中以水溶液为媒介，并结合球磨法，可以制备得到具有高分散性的氮化硼纳米片的均匀分散液。分散液中，氮化硼纳米的厚度为2～5纳米，纳米氮化硼的分散度达到300～800mg/mL。

具体的，步骤2)中，所述第一渗透膜的孔径为0.1～100微米的尼龙渗透膜；所述第一渗透膜的厚度为1～10微米；所述第一渗透膜的面积为10～100平方厘米；负载的纳米多孔氮化硼的重量为2～20克。

上述规格的尼龙渗透膜即可以充分负载纳米多孔氮化硼，又可以确保空气的通过。

具体的，步骤2)中，超声分散的时间为1～3小时。

基于上述技术方案，可以在过渗透膜的过程中，维持纳米多孔氮化硼的水分散液的分散性，从而确保纳米多孔氮化硼在渗透膜上的均匀负载。

具体的，步骤3)中，将步骤2)得到的所述待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜依次经真空过滤和真空干燥，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

基于上述技术方案，可以在不影响纳米多孔氮化硼的负载状态的情况下实现过滤干燥。

进一步的，步骤3)中，除水后，将除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜表面覆盖一层第二渗透膜，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

基于上述技术方案，可以对负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜进行保护。

具体的，所述第二渗透膜的孔径为0.1～100微米的尼龙渗透膜；所述第二渗透膜的厚度为1～10微米；所述第二渗透膜的面积为10～100平方厘米。

基于上述技术方案，可以在确保空气通过的条件下对负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜进行保护。

本发明还提供了负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法制备得到的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

上述技术方案所提供的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜各种酸、高温等恶劣条件下实现对空气中毒性有机污染物分子分离和优异的稳定性，并具有优异的再生、循环性能，可有效吸附多类VOCs，其中，甲醛的吸附能力，能从现有的10-20ppm降低至1ppm以下。

本发明还提供了负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的应用，作为空气净化滤膜。

本发明所提供的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜各种酸、高温等恶劣条件下实现对空气中毒性有机污染物分子分离和优异的稳定性，并具有优异的再生、循环性能，可有效吸附多类VOCs，其中，甲醛的吸附能力，能从现有的10-20ppm降低至1ppm以下，作为空气净化滤膜使用性能稳定，效果突出。

附图说明

图1是本发明实施例1所提供的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜中纳米多孔氮化硼的X射线衍射图。

图2是本发明实施例1所提供的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜中纳米多孔氮化硼的扫描电子显微镜图。

图3是本发明实施例1所提供的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的光学照片。

图4是本发明实施例1所提供的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的使用稳定性对比图。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

1)以质量比为1：0.01称取多孔氮化硼和尿素，并置于pH值为9的碱性水溶液中，搅拌0.5小时后，再超声0.1小时；

2)将步骤1)所得的混合水悬浮液置于球磨机的球磨罐中，球磨机以7000转/每分钟的转速，球磨样品1小时；

3)将步骤2)所得的悬浮液通过超声处理1小时，再置于孔径为0.1微米的尼龙微渗透膜上过膜；

4)将步骤3)所得产物经过真空过滤及真空干燥的过程后，在纳滤膜表面覆盖一层第二渗透膜，即获得用于空气净化的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

本实施例1所制备得到的用于空气净化的纳滤膜具有优良的空气净化能力，高结构稳定性和重复使用性能，环境友好，可靠。

对实施例1制备得到的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜进行相关测试，结果如下：

对制备得到的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜中的纳米多孔氮化硼取样进行测试。如图1所示，取样得到的纳米多孔氮化硼为六方氮化硼纳米片，其X射线粉末衍射图谱中广角部分(2θ＝10～80°)衍射峰强度高且半峰宽窄，说明所用氮化硼纳米片结晶度高，纳滤膜的制备过程中，晶型未被破坏。

对制备得到的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜中的纳米多孔氮化硼取样进行测试。如图2所示，为取样得到的纳米多孔氮化硼扫描电子显微镜图显示，确定为氮化硼材料为氮化硼纳米片，且形貌均匀。

如图3所示，负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜可以实现弯折，弯折后能恢复原本结构，说明其具有优良的机械稳定性。

对制备得到的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜进行循环再生测试：

测试方法为：首先，高温处理将吸附在纳滤膜上的挥发性有机污染物移除；然后，通过盐酸进行活化再生处理，并对所得再生的纳滤膜重复进行空气净化性能测试。

测试结果如图4所示。一方面，由图4可以看出，制备的纳米多孔氮化硼的纳滤膜在重复使用100次后，仍然具有较好的空气净化能力；另一方面，如测试方式所指出的，纳米多孔氮化硼的纳滤膜的再生过程中会经过上述酸洗过程，并且温度为300℃，在再生近100次后，仍然具有上述优良的空气净化能力，从而证实其具有极强的酸、高温稳定性，在实际工业应用中具有广阔的应用前景。

实施例2、例3

将实施例1中步骤1)多孔氮化硼和尿素的比例分别改为1：1和1：100，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例4、例5

将实施例1中步骤1)水溶液的pH值分别改为11、13，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例6、例7

将实施例1中步骤1)搅拌时间分别改为1小时、2小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例8、例9

将实施例1中步骤1)超声时间分别改为1小时、2小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例10、例11

将实施例1中步骤2)球磨机转速分别改为8000转/每分钟、9000转/每分钟，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例12、例13

将实施例1中步骤2)球磨时间分别改为2小时、3小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例14、例15

将实施例1中步骤3)分别选择孔径为10微米、100微米的尼龙微渗透膜，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

实施例16、例17

将实施例1中步骤3)超声时间分别改为2小时、3小时，其他的各项操作均与实施例1相同，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以水为分散液，制备纳米多孔氮化硼的水分散液；

2)将步骤1)得到的所述纳米多孔氮化硼的水分散液在超声分散条件后过第一渗透膜，过液完毕后分离出负载有纳米多孔氮化硼的第一渗透膜，得到待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜；

3)将步骤2)得到的所述待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜除水，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜；

步骤1)中，制备纳米多孔氮化硼的水分散液的方法包括以下步骤：

a)取质量比为1：(0.01～100)的多孔氮化硼和尿素，并置于pH值为9～13的碱性水溶液中，搅拌0.5～2小时后，再超声分散处理0.1～2小时，得到混合水悬浊液；

b)将步骤a)得到的所述混合水悬浊液进行球磨，球磨转速为7000～9000转/每分钟，球磨时间为1～3小时，得到所述纳米多孔氮化硼的水分散液；

步骤3)中，将步骤2)得到的所述待除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜依次经真空过滤和真空干燥实现除水，除水后，将除水的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜表面覆盖一层第二渗透膜，得到负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

2.根据权利要求1所述的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述第一渗透膜为孔径0.1～100微米的尼龙渗透膜；所述第一渗透膜的厚度为1～10微米；所述第一渗透膜的面积为10～100平方厘米；负载的纳米多孔氮化硼的重量为2～20克。

3.根据权利要求1所述的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中，超声分散的时间为1～3小时。

4.根据权利要求1所述的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述第二渗透膜为孔径0.1～100微米的尼龙渗透膜；所述第二渗透膜的厚度为1～10微米；所述第二渗透膜的面积为10～100平方厘米。

5.一种根据权利要求1至4任一所述的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的制备方法制备得到的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜。

6.一种根据权利要求5所述的负载有纳米多孔氮化硼的纳滤膜的应用，其特征在于：作为空气净化滤膜。

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