[发明专利]一种电滤膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种能抑制浓差极化和膜污染的电滤膜及其应用。 

背景技术

膜分离技术是一种以压差为动力的绿色分离技术，具有回收率高、无相分离、操作简便、能耗低等优点，近40年来迅速发展，在生物、食品、能源、医药、化工、环境保护等领域得到广泛应用。尽管膜分离技术具有传统分离技术无可比拟的优势，但依然存在一些缺陷。浓差极化和膜污染是膜分离过程中最常见的问题，对膜的分离效果影响极大。膜分离过程中溶质或胶体被截留并积累在膜高压侧表面形成浓差极化现象，影响滤膜的分离性能；沉淀在表面的溶质或胶体会堵塞膜孔造成滤膜污染，导致膜的渗透通量逐渐下降，甚至完全消失。 

目前，针对浓差极化和膜污染问题已经发展出了多种方法，其中在膜的两侧提供外加电场能有效抑制浓差极化和膜污染。由于溶质和胶体在极性溶液中通常会带有表面电荷，存在外加电场时，溶质或胶体在电场的作用下产生电泳效应或因静电排斥而远离膜面从而抑制浓差极化和膜的污染。中国专利CN101596406B公开了一种利用外加电场和大孔径过滤膜相结合的方法同时实现高通量和截留率。该方法的特征是：在膜过滤过程中，溶质分子和微粒在外加电场的作用下产生背离膜面的运动而截留在膜分离侧，溶剂分子在压力驱动下快速透过膜。该法的分离过程要求过滤膜和电场力的共同作用，能抑制浓差极化和膜污染，实现高通量和截留率。然而，由于溶质和胶体带有的电荷是固定的，当被截留物中存在两种不同电荷的溶质和胶体时，外加电场只能抑制带特定电荷溶质和胶体的浓差极化效应，而对带相反电荷的溶剂和胶体确实促进浓差极化的发生。 

此外，滤膜表面存在着固定电荷的荷电膜也能抑制膜污染。荷电膜的过滤机理除了物理筛分外还具有Donnan效应，具有吸附排斥分离性能。借助于荷电排斥作用可降低膜的污染，使膜界面处形成的凝胶层变得疏松，保证膜的长期稳定性。但荷电膜也存在一些不足：首先，荷电膜膜表面存在着的电荷是固定的，只适用于截留带相应电荷的溶质和胶体；其次，虽然借助于荷电排斥作用可以降低膜的污染，但荷电膜表面的电荷量较小，不能有效抑制浓差极化效应。 

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种电滤膜，该膜是由聚合物和导电材料通过浸沉凝胶相转化法制作而成的一种具有导电性的滤膜，外接电源后该膜具有抑制浓差极化和膜污染的作用。 

本发明中所述聚合物为聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和聚氯乙烯中的一种。 

所述导电材料是直径为10~200μm、比电阻小于10^-5Ω·cm的金属细丝或导电纤维丝，导电材料以0.5-5mm的间距设置在聚合物中。 

本发明的另一目的是提供电滤膜的制备方法，具体步骤如下： 

（1）在50~95℃下将聚合物、溶剂、添加剂混合搅拌4h以上，待完全溶解后经压滤并静置脱泡15~30h，制得铸膜液，其中按组合物总质量的百分数计，聚合物、溶剂、添加剂的添加量分别为12~25%、65~85%、1~10%；

（2）将导电材料均匀的布置在固定有无纺布的玻璃板上，导电材料之间的距离为0.5~5mm；通电流使用时，要求相邻导电材料中的电流方向相同；对其他使用方式没有特定要求。

（3）将步骤（1）得到的铸膜液以流延法在布置有导电材料的无纺布上刮制成厚度为100~500μm的液膜，并留出接电源的端点，静置0.5~10min，使溶剂蒸发； 

（4）使步骤（3）得到的液膜放入-5~10℃冷浸液中冷浸1~2h，使膜凝胶化成型，然后从无纺布上取下成型膜，最后在60~90℃热水中处理10~60min，即得到电滤膜。

其中，步骤（1）的溶剂是二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种；添加剂是甲酰胺、二甲基乙酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮等中的一种。 

步骤（4）的冷浸液为水、0.1mol/LNaCl溶液中的一种。 

在步骤（4）的冷浸过程中，浴中冷浸液向膜内扩散，同时膜中的溶剂向外扩散。溶剂外扩散速率大于冷浸液内扩散速率，膜面上聚合物浓度增大，表面形成高浓度聚合物致密层；致密层使溶剂外扩散速率下降，膜液内聚合物浓度低，形成多孔支撑层。 

根据上述步骤制作出的电滤膜为非对称膜，即由一层很薄的致密表面（功能层）和一个置于其下的多孔支撑层构成，导电介质嵌于多孔支撑层中，如图1所示。功能层是膜分离中真正有选择性的栅栏，基本上决定了膜的分离性能；多孔支撑层只是起着对功能层的支持作用。因此在不通电的情况下导电介质的存在基本不影响膜的分离性能。