[发明专利]基于金属有机骨架ZIF‑8的平板式混合基质正渗透膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高分子平板式正渗透膜及其制备方法，特别是涉及一种基于金属有机骨架ZIF-8的平板式混合基质正渗透膜及制备方法。

背景技术

水资源的匮乏和日益严重的水污染已成为制约社会进步和经济发展的瓶颈，新水源开发和废污水资源化利用也成为全球普遍关注的问题。由于地球上海水资源极为丰富，且产生大量的废污水，海水淡化和污水资源化已成为解决水资源危机的战略选择。在诸多的海水淡化和污水资源化技术中，膜分离技术是最好的选择之一。作为为解决这一关键问题而诞生的低能耗、高水回收率的正渗透技术成了海水淡化和污水资源化领域的研究重点和热点，对解决水资源短缺问题有着重要的战略意义。

正渗透(forward osmosis，FO) 是一种依靠膜两侧渗透压驱动的膜分离技术，正日益受到重视，相关的理论和应用研究取得了较大的进展，并成功应用于海水淡化、废水处理、食品医药、能源等领域。目前，常见的正渗透膜主要有醋酸纤维素膜、聚苯并咪唑膜、聚酰胺复合膜等，商业化程度不高主要是缺乏性能良好的正渗透膜和适宜的驱动液，而正渗透膜是整个正渗透过程的关键所在。高性能的正渗透膜与其材料性质和膜的结构密切相关，可见性能优良的膜材料和正渗透膜制备方法尤为重要。常见的正渗透膜制备方法有界面聚合法、双选择层膜制备法和纳滤膜改性三种。界面聚合法制备的正渗透复合膜内浓差极化较严重；双选择层膜有效减小了内浓差极化，但制备工艺较为复杂；纳滤膜改性膜对单价盐的截留率和水通量均较低；因此，需要开发新的正渗透膜制备工艺以提高正渗透膜的分离性能和产业化的可行性。

上个世纪60年代，国外开始正渗透技术的研究，采用已有的反渗透膜或纳滤膜进行正渗透的应用研究，结果证明现有的反渗透膜或纳滤膜难以用于正渗透过程，但同时也证明了正渗透膜的性能与膜材料、膜结构密切相关；随后，诸多膜科技工作者开始了正渗透膜制备的基础研究。研究结果表明，通过选择合适的膜材料、成膜工艺，可以制备性能优良的正渗透膜。我国正渗透技术的研究起步较晚，目前国内对正渗透技术的研究，无论是膜制备还是膜过程研究，仍处于探索阶段。一些膜科研工作者探索了纤维素类正渗透膜的制备条件，研究了各种因素对正渗透膜性能的影响，但尚未制备出可商业化的性能优良的正渗透膜；正渗透膜的制备和应用研究仍然任重而道远。前期的研究启示我们，利用共混技术改性膜材料，有望提高正渗透膜的水通量、截盐率、机械性能和耐污染性能，并且易于实现产业化。发明专利ZL201410770001.4、201510245514.8和ZL201410769752.4、201510245504.4分别采用纳米二氧化钛和石墨烯与醋酸纤维素共混制备平板式和中空纤维正渗透膜，所制备正渗透膜的分离性能和渗透性能得到了较大幅度的提高；发明专利2017100954795、2017100954780、2017100954846采用功能化碳纳米管与醋酸纤维素共混制备了性能更优良的正渗透膜；但通过选择合适的材料，仍可对所制备正渗透膜的分离性能和渗透性能进行进一步的提高，满足商业化生产和应用需求。

金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs) 是一种最近发展起来的新型材料，又称金属有机络合聚合物，它是由含氧、氮等的有机配体与金属离子通过配位作用组装而成的无限网络结构的多孔材料。相比于传统的无机多孔材料，MOFs材料拥有沸石、活性炭、碳纳米管等无机多孔材料无可比拟的优良性能，其微孔孔容要比上述多孔材料高出几倍，且具有孔道可变、化学结构稳定等特点。这些优良的特性使得MOFs材料在气体存储、水体污染物吸附分离、气体催化等方面具有巨大的应用前景。金属有机骨架作为一种新型的有机无机杂化材料，其结构中的有机配体有助于提高MOFs粒子与聚合物基质间的亲和力，是理想的混合基质膜分散相。因此，如将适宜的MOFs材料与醋酸纤维素共混制备混合基质正渗透膜，有望在获得高水通量、截盐率的同时，也使正渗透膜产品具有耐污染性，这为正渗透膜材料的研究开发及应用推广提供了新的思路。

如何在得到亲水性质的同时，又使正渗透膜具有抗污染性和保持水通量的稳定性，这是近年来膜科技工作者一直在思索和研究的难题。本发明采用ZIF-8改善混合基质正渗透膜的结构和渗透性能、分离性能的研究，国内外尚未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于金属有机骨架ZIF-8的平板式混合基质正渗透膜，本发明的另一个目的是提供该混合基质正渗透膜的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：