CN111804149A - 一种用于膜蒸馏的超疏水、耐润湿和耐结垢的杂化纳米纤维复合膜的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于膜蒸馏的超疏水、耐润湿和耐结垢的杂化纳米纤维复合膜的生产方法。该生产方法包括如下工艺步骤：(1)将聚偏氟乙烯(PVDF)、乙酸锌、N，N‑二甲基甲酰胺和丙酮按照一定的比例配置并搅拌均匀；(2)利用静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜；(3)将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放入烘箱中进行热处理，得到聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜；(4)将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水溶液中进行水热处理，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜；(5)用1H，1H，2H，2H‑全氟辛基三乙氧基硅烷改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜，得到杂化纳米纤维复合膜。采用本发明制备的杂化纳米复合膜，具有超疏水性、耐润湿和耐结垢性、较高的截盐率和稳定的渗透通量，有利于长期稳定运行。

Description

一种用于膜蒸馏的超疏水、耐润湿和耐结垢的杂化纳米纤维 复合膜的生产方法
技术领域
本发明涉及膜蒸馏技术领域中分离膜的制备方法，具体涉及一种超疏水杂化纳米纤维复合膜的制备方法。
背景技术
目前淡水短缺已成为人类生存和发展的重要问题之一。另外，人口增长、工业和农业用水量增加、水污染以及水资源的浪费加剧了水资源危机问题。海水淡化是缓解水资源短缺的解决方案之一。海水淡化的处理方法有很多，如：反渗透、热蒸发、纳滤和膜蒸馏等。其中膜蒸馏技术由于能够利用废热、低操作压力和低运行温度以及能够处理高浓度盐水等优点被认为是很有前途的海水淡化技术。理想的膜蒸馏膜应该具有以下特点：强的疏水性、低的热导率、合适的孔径和高孔隙率。
膜蒸馏膜的制备方法一般包括拉伸法、相转变和静电纺丝。与前两种方法相比，静电纺纳米纤维膜被认为是可实现理想条件的膜蒸馏材料，是因为纳米纤维膜具有高孔隙率、窄孔径分布、相互贯通的孔结构、厚度可控等优点。然而，在长期运行中纳米纤维膜容易被润湿。膜一旦被润湿，将会导致低截留率，即无选择性。为了解决膜润湿问题，许多研究学者提出超疏水膜具有抗润湿性和自清洁性。而制备超疏水膜的原理是提高表面粗糙度并用低表面能物质修饰。
同时，在长期运行过程中也存在膜结垢和膜污染问题。膜结垢会导致膜润湿、能量损失和高成本清洗问题。专利CN 107158953B公开了一种纳米线疏水膜的制备方法，主要是将水热法制备的金属氧化物纳米线涂敷在基材上，后用硅氧烷改性得到纳米线疏水膜，但是制备过程中纳米线与基材的粘合性较弱，在膜蒸馏运行过程中，其形貌可能会被损坏，从而制约了膜的长期运行。因此，发明一种耐润湿、耐污垢的膜对于膜蒸馏长期运行至关重要。
发明内容
针对分离膜易润湿、易结垢、不易长期运行等问题，本发明的目的是在于提供一种超疏水杂化纳米复合膜的生产方法。通过本发明制备得到的超疏水膜，用于膜蒸馏过程中，具有耐润湿、耐结垢，且可长期运行的特点。
本发明提供如下技术方案：(1)将聚偏氟乙烯(PVDF)、乙酸锌、N，N-二甲基甲酰胺和丙酮按照一定的比例配置并搅拌均匀；(2)利用静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜；(3)其次将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放入烘箱中进行热处理，得到聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜；(4)随后将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水溶液中进行水热处理，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜；(5)最后用1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜，得到超疏水杂化纳米纤维复合膜。
一种用于膜蒸馏的超疏水杂化纳米纤维复合膜的生产方法，其特征在于，包括：
(1)聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜的制备：将PVDF粉末和乙酸锌加入到N，N-二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，在90℃下搅拌使PVDF粉末和乙酸锌完全溶解采用静电纺丝技术对上述溶液进行纺丝，得到聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜，所述的乙酸锌占PVDF粉末的质量百分比为1.5％，PVDF溶液的浓度为15-25％，N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为1∶1-3∶1。
(2)聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放置于烘箱中进行热处理，热处理温度130℃，所述热处理时间为12-24小时。
(3)氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜的制备：将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡5-10分钟，后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水的水热合成溶液中，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，所述的六次甲基四胺和硝酸锌的摩尔比为1∶1-1∶3，氨水占总溶液的体积比为3-5％，水热合成温度为95℃，水热合成时间为1-3小时。
(4)超疏水杂化纳米纤维复合膜的制备：将氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜放于1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷和无水乙醇的溶液上方，采用化学气相沉积的方法改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，得到超疏水杂化纳米复合膜，所述的1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷质量分数为2-5％，处理温度为55-75℃。
从上述技术方案可以看出，本发明采用静电纺丝方法和水热合成方法制备出氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜，其中热处理过程会增强氧化锌种子层与纳米纤维膜之间的粘附性，其次水热合成技术不仅会使PVDF羟基化，而且合成的氧化锌纳米线上也带有羟基，最后氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜易被1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷改性，使其具有超疏水性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)在聚偏氟乙烯纺丝液中加入乙酸锌作为氧化锌种子的前驱体，加强了后期氧化锌纳米线与基底之间的粘附性；
2)水热合成技术不仅增加了聚偏氟乙烯纳米纤维膜的表面粗糙度和孔隙率，而且也使聚偏氟乙烯膜羟基化；
3)化学气相沉积1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷使得杂化纳米复合膜具有超疏水性；
4)采用杂化纳米纤维复合膜作为膜蒸馏的分离膜，其具有耐润湿和耐结垢性，提高其循环稳定性。
附图说明
图1为实施例3杂化纳米复合膜顶面的扫面电镜示意图。
图2为实施例3杂化纳米复合膜底面的扫面电镜示意图。
图3为实施例3杂化纳米复合膜横截面的扫面电镜示意图。
图4为实施例1氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜顶面水接触角图。
图5为实施例3杂化纳米复合膜顶面水接触角图。
图6为实施例3杂化纳米复合膜对模拟海水蒸馏长期运行结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。本发明实施例只用于解释说明本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
(1)聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜的制备：将PVDF粉末和乙酸锌加入到N，N-二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，在90℃下搅拌使PVDF粉末和乙酸锌完全溶解采用静电纺丝技术对上述溶液进行纺丝，得到聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜，所述的乙酸锌占PVDF粉末的质量百分比为1.5％，PVDF溶液的浓度为17％，N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为3∶1。
(2)聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放置于烘箱中进行热处理，热处理温度130℃，所述热处理时间为12小时。
(3)氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡10分钟，后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水的水热合成溶液中，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，所述的六次甲基四胺和硝酸锌的摩尔比为1∶3，氨水占总溶液的体积比为5％，水热合成温度为95℃，水热合成时间为2小时。该氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜顶面水接触角23°，具有超亲水性，不能用于膜蒸馏。
实施例2
(1)聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜的制备：将PVDF粉末和乙酸锌加入到N，N-二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，在90℃下搅拌使PVDF粉末和乙酸锌完全溶解采用静电纺丝技术对上述溶液进行纺丝，得到聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜，所述的乙酸锌占PVDF粉末的质量百分比为1.5％，PVDF溶液的浓度为17％，N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为3∶1。
(2)聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放置于烘箱中进行热处理，热处理温度130℃，所述热处理时间为12小时。
(3)氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡10分钟，后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水的水热合成溶液中，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，所述的六次甲基四胺和硝酸锌的摩尔比为1∶3，氨水占总溶液的体积比为5％，水热合成温度为95℃，水热合成时间为1小时。
(4)超疏水杂化纳米纤维复合膜的制备：将氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜放于1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷和无水乙醇的溶液上方，采用化学气相沉积的方法改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜，得到超疏水杂化纳米纤维复合膜，所述的1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷质量分数为5％，处理温度为55℃。该杂化纳米纤维复合膜顶面水接触角为134°，滑动角为31°，具有疏水性，在运行9小时后对10wt％氯化钠进料液的截盐率可达99.7％，渗透通量为24L m-2h-1。
实施例3
(1)聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜的制备：将PVDF粉末和乙酸锌加入到N，N-二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，在90℃下搅拌使PVDF粉末和乙酸锌完全溶解采用静电纺丝技术对上述溶液进行纺丝，得到聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜，所述的乙酸锌占PVDF粉末的质量百分比为1.5％，PVDF溶液的浓度为17％，N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为3∶1。
(2)聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放置于烘箱中进行热处理，热处理温度130℃，所述热处理时间为12小时。
(3)氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜的制备：将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡10分钟，后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水的水热合成溶液中，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，所述的六次甲基四胺和硝酸锌的摩尔比为1∶3，氨水占总溶液的体积比为5％，水热合成温度为95℃，水热合成时间为2小时。
(4)超疏水杂化纳米纤维复合膜的制备：将氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜放于1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷和无水乙醇的溶液上方，采用化学气相沉积的方法改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜，得到超疏水杂化纳米纤维复合膜，所述的1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷质量分数为5％，处理温度为55℃。该杂化纳米纤维复合膜顶面水接触角为151°，滑动角为7°，具有超疏水性，在运行9小时后对10wt％氯化钠进料液的截盐率可达99.99％，渗透通量为20L m-2h-1；同时对模拟海水(3.5wt％NaCl+30g/L MgSO4+1.26g/LCaCl2+10mg/L牛血清蛋白+10mg/L十二烷基苯磺酸钠)运行60小时，其截盐率可达99.9％，渗透通量为15L m-2h-1。
实施例4
(1)聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜的制备：将PVDF粉末和乙酸锌加入到N，N-二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，在90℃下搅拌使PVDF粉末和乙酸锌完全溶解采用静电纺丝技术对上述溶液进行纺丝，得到聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜，所述的乙酸锌占PVDF粉末的质量百分比为1.5％，PVDF溶液的浓度为17％，N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为3∶1。
(2)聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放置于烘箱中进行热处理，热处理温度130℃，所述热处理时间为12小时。
(3)氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜的制备：将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡10分钟，后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水的水热合成溶液中，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，所述的六次甲基四胺和硝酸锌的摩尔比为1∶3，氨水占总溶液的体积比为5％，水热合成温度为95℃，水热合成时间为3小时。
(4)超疏水杂化纳米纤维复合膜的制备：将氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜放于1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷和无水乙醇的溶液上方，采用化学气相沉积的方法改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米纤维膜，得到超疏水杂化纳米纤维复合膜，所述的1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷质量分数为5％，处理温度为55℃。该杂化纳米纤维复合膜顶面水接触角为150°，滑动角为4°，具有超疏水性，在运行9小时后对10wt％氯化钠进料液的截盐率可达99.98％，渗透通量为16L m-2h-1。
将上述四个实施例得到的杂化纳米复合膜进行膜蒸馏测试，结果见表1：
表1分离膜性能测试结果
Figure BSA0000216213230000061
由表1结果可知，本发明制备的杂化纳米纤维复合膜用作膜蒸馏分离膜，表现出超疏水性，与按照实施例1工艺制备的氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜相比，本发明提供的杂化纳米复合膜具有超疏水性、耐润湿和耐结垢性、较高的截盐率和稳定的渗透通量，有利于长期稳定运行。

Claims (5)

1.一种用于膜蒸馏的超疏水、耐润湿和耐结垢的杂化纳米纤维复合膜的生产方法，该生产方法包括以下步骤：
(1)聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜的制备：将PVDF粉末和乙酸锌加入到N，N-二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，在90℃下搅拌使PVDF粉末和乙酸锌完全溶解采用静电纺丝技术对上述溶液进行纺丝，得到聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜。
(2)聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯/乙酸锌纳米纤维膜放置于烘箱中进行热处理，热处理温度130℃。
(3)氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜的制备：将聚偏氟乙烯/氧化锌纳米纤维膜用无水乙醇浸泡5-10分钟，后放于六次甲基四胺、硝酸锌和氨水的水热合成溶液中，得到氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜。
(4)超疏水杂化纳米复合膜的制备：将氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜放于1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷和无水乙醇的溶液上方，采用化学气相沉积的方法改性氧化锌@聚偏氟乙烯纳米膜，得到超疏水杂化纳米复合膜。
2.根据权利要求1所述的杂化纳米纤维复合膜的生产方法，其特征在于所述的乙酸锌占PVDF粉末的质量百分比为0.1-2％，PVDF溶液的浓度为10-40％，N，N-二甲基甲酰胺和丙酮的质量比为1∶1-3∶1。
3.根据权利要求1所述的杂化纳米纤维复合膜的生产方法，其特征在于所述的热处理时间为6-24小时。
4.根据权利要求1所述的杂化纳米纤维复合膜的生产方法，其特征在于所述的六次甲基四胺和硝酸锌的摩尔比为1∶1-1∶3，氨水占总溶液的体积比为3-5％，水热合成温度为95℃，水热合成时间为0.5-5小时。
5.根据权利要求1所述的杂化纳米纤维复合膜的生产方法，其特征在于所述的1H，1H，2H，2H-全氟辛基三乙氧基硅烷质量分数为0.5-5％，处理温度为40-95℃。
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