[发明专利]一种正渗透复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于膜分离技术领域，具体的说是一种基于二维纳米材料和大孔基底的正渗透复合膜及其制备方法和应用。复合膜为大孔基底表面沉积二维纳米材料作为中间层，并于其表面形成聚酰胺分离层，即为复合膜。本发明复合膜中二维纳米材料中间层防止聚酰胺向大孔基底渗透破坏其原有的大孔且相互贯通的孔结构，减小传传质阻力，有效缓解正渗透过程中的内浓差极化现象，从而大大地提高了聚酰胺复合膜的分离性能，可广泛应用于海水淡化、果汁浓缩等领域。

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，具体的说是一种基于二维纳米材料和大孔基底的正渗透复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

正渗透(Forward osmosis,FO)是近年来新兴的一种膜分离技术。它是一种渗透压差或化学位差驱动的膜过程，具有能耗低、污染小、回收率高等优点，在海水淡化、废水处理、医药加工、食品加工等领域展现出巨大的应用潜力，前景十分广阔。

作为正渗透技术的核心，高水通量和低反向盐通量的膜材料是对分离性能起着至关重要的作用。目前常用的正渗透膜大都是以超滤膜为支撑层的聚酰胺复合膜，但超滤膜由海绵状孔和指状孔结构组成，具有较大的传质阻力，在分离过程中，支撑层存在严重的内浓差极化，显著降低有效渗透压差，从而降低水通量。

大孔、高孔隙率以及孔结构相互贯通的支撑层能降低传质阻力、减弱内浓差极化以提高水通量(邱慧莹，肖通虎，李雪燕，一种基于大孔径基膜的正渗透复合膜及其制备方法，专利申请号：201710070056.8；刘长坤，赵丽华，静电纺丝纳米纤维基双皮层正渗透膜及其制备方法，专利申请号：201910945310.3)。但通常情况下，上述复合膜是通过界面聚合的方法在支撑层表面制备聚酰胺分离层而获得。而界面聚合是利用多胺单体和多酰氯单体之间的反应在支撑层表面形成聚酰胺分离层。但是直接在大孔基底上进行界面聚合反应时，反应单体会渗入大孔层并在孔中发生聚合反应生产聚酰胺，进而使上述渗透膜中聚酰胺在基底的渗透下会增加传质阻力，从而导致水通量降低。

同时二维纳米材料具有超薄的片层结构、大尺寸，也已广泛应用于膜分离领域。但目前报道较多的是将纳米材料掺入聚酰胺分离层，通过引入额外水通道或者增加膜表面亲水性等来提高水通量。但是这种添加方式并不能减缓正渗透过程中的内浓差极化，由于内浓差极化是限制正渗透水通量提高的主要因素之一。因此现急需一种高性能的聚酰胺正渗透膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二维纳米材料和大孔基底的正渗透复合膜及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种基于二维纳米材料和大孔基底的正渗透复合膜，复合膜为大孔基底表面沉积二维纳米材料作为中间层，并于其表面形成聚酰胺分离层，即为复合膜。

所述复合膜的表面具有“峰谷”或“结节”状结构；其中，聚酰胺分离层厚度20-500nm，纳米材料中间层厚度3-100nm。

所述大孔基底的材质为有机聚合物；所述二维纳米材料为具有大尺寸、柔性的有二维结构纳米材料。

优选，所述大孔基底具有较大的孔径，其孔径在0.1-1μm，并且孔之间相互贯通；

所述二维纳米材料具有片层薄、尺寸大的特性，其厚度小于1nm，尺寸大于对应的大孔基底的孔径，为1-50μm。

进一步优选，所述有机聚合物为聚醚砜、聚砜、聚偏氟乙烯、尼龙、聚酰亚胺、醋酸纤维、三醋酸纤维素、聚酯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯中的一种或多种；所述二维纳米材料为氧化石墨烯、石墨烯、多孔氧化石墨烯、多孔石墨烯、MXene、氮化碳纳米片或二氧化锰纳米片。

所述聚酰胺分离层为所述表面沉积二维纳米材料的大孔基底先后浸泡于多元胺的水相溶液和多元酰氯的油相溶液中，利用二维纳米材料中间层对多元胺和多元酰氯的限域聚合反应进而于中间层表面形成致密的聚酰胺分离层。