[发明专利]一种碳纳米管/多孔陶瓷中空纤维复合超滤膜、制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及无机膜领域，尤其涉及一种碳纳米管/多孔陶瓷中空纤维复合超滤膜、制备方法及用途。

背景技术

环境问题一直以来是世界各国普遍关注的焦点，水体污染、大气污染时时刻刻威胁着人类的生存环境。水体污染：石油泄漏和含油工业废水排放已经是一个世界性问题，这给海洋带来许多有毒物质，通过海洋食物链从低等植物藻类传递到高等哺乳动物包括人类的每一物种体内，使生物体物种和人类健康受到威胁。如今，全球出现越来越多有机物和微生物含量高的低质量水域，合理利用水资源将其转化成清洁饮用水的需求不断增加。大气污染：随着工业化进程的深入和快速发展，排放到大气中的粉尘颗粒物急剧增加，其中PM_2.5(粒径小于2.5μm的颗粒污染物)会对人类的健康造成严重的伤害，其被吸入人体后会直接进入支气管，引发哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病。此外，PM_2.5还会导致雾霾天气频发和雾中有毒有害物质浓度的大幅增加，影响人们的正常出行并对动植物的正常生长造成严重危害。细颗粒物(PM_2.5)中，PM₁所占比例高达80％-90％。且研究表明，在PM_2.5中，PM₁才是影响视觉能见度和人体健康的元凶。因此，设计和制备能有效降低空气中颗粒污染物的过滤材料具有重要意义。

碳纳米管具有极大的长径比(其长度在微米级以上，直径只有几个纳米或几十个纳米)，具有独特的力学性能，如抗张强度达100千兆帕，模量高达1800千兆帕，且耐强酸、强碱，600℃以下基本不被氧化，这些特征使得碳纳米管成为一种优良的过滤材料。对于现有的碳纳米管过滤膜，制膜过程需先对碳纳米管进行分散配置成制膜液，因碳纳米管表面惰性,难分散,一般需要对碳管进行强酸氧化等处理以利于均匀分散于溶剂中，然而这会破坏碳纳米管结构,影响其性能。且通过真空烘干的方法制备碳纳米管薄膜，条件较为复杂，不便操作。并且所用原料对环境不利,造成了用该法规模化制备有一定的局限性。而且，该碳纳米管薄膜中的碳纳米管直径较大(一般大于15纳米)，使得制备的过滤膜中的微孔孔径较大，过滤效果较差。由于碳纳米管薄膜的过滤膜韧性和自支撑性较差，使用时必须支撑在过滤基底上，如何克服碳纳米管薄膜与基底的结合力弱是个关键技术问题，这也对膜组件的简单化、小型化和集约化非常不利。因此碳纳米管制膜液的分散困难问题以及制备的膜层与支撑体结合力问题这些不足都制约着该种碳纳米管膜的应用。

有鉴于此，提供一种支撑性较好、碳膜与载体间的结合强度高且易于制备的碳纳米管复合膜具有重要的意义。利用化学气相沉积法(CVD)原位生长碳纳米管膜层可以保证碳纳米管层与基底的结合，也可以有效保证复合膜的电学性能等。该法主要是运用纳米尺度的过渡金属作为催化剂，热解含碳的气源原位制备碳纳米管膜层。制备适合于实际应用的碳纳米管膜，首先要使碳纳米管能够生长在合适的载体上，由于此方法制备过程通常在较高温下进行，所以这种支撑体必须耐高温，在高温的环境中性质稳定；制备过程中尽可能环保，减少有害物质的生产及排放。经过高温焙烧而制备的多孔陶瓷载体具有良好的机械强度，而且适合于在高温苛刻条件下使用，是制备碳纳米管膜层的良好载体。基于陶瓷基底利用气相沉积法制备碳膜层虽然能够保证足够的机械性能，但陶瓷载体的结构形貌对碳膜也有影响，传统对称陶瓷膜结构是由颗粒堆积所构成的对称结构，一方面，因颗粒和成型限制，孔隙大小会限制碳纳米管的生长，另一方面也会导致复合膜整体的孔隙、气体和液体传质阻力增加，渗透性能衰减。

由相转化-烧结技术一步成型制备的非对称陶瓷中空纤维膜具有指状孔结构，指状孔结构，第一，大大降低碳源气体的质量输运阻力，易于扩散至陶瓷颗粒表面进行碳纳米管成核及生长；第二，为碳纳米管提供了足够的生长空间，便于在指状孔内构成相互交错的碳纳米管网状结构。第三，因碳纳米管均在指状孔内交错构成网络结构，使得渗透性能衰减率不高，保证了足够的气体和液体通量，且过滤截留也可以发生在碳纳米管网络结构中。

合成碳纳米管膜层反应过程中副产物氢气作为一种高效清洁的二次能源载体，被认为是未来人类重要的清洁能源来源。传统的石油和化石能源的过度消耗引起了地球温暖化、环境污染和能源短缺等问题。在此背景下，以低能耗、低污染为基础的低碳经济正成为全球关心和研究的热点。氢气作为能源，燃烧后的产物是水，基本上是零污染。且氢气的能量密度大，放出的热量约为同质量汽油的三倍。21世纪氢能有可能在世界能源舞台上占有举足轻重的地位。

发明内容