[发明专利]一种热稳定、超疏水的陶瓷-碳纳米管复合膜及其膜蒸馏水处理应用

说明书

一种热稳定、超疏水陶瓷‑碳纳米管复合膜及其膜蒸馏水处理应用，其属于无机膜的技术领域。该复合膜的制备采用化学气相沉积法，以陶瓷中空纤维膜为载体，通过改变不同的制备条件，如催化剂负载量、反应温度和反应时间，控制碳纳米管的结构、负载量和负载状态，能够得到不同结构和性能的陶瓷‑碳纳米管中空纤维复合膜。通过对制备条件的调控优化，得到热稳定、超疏水的碳纳米管完全覆盖结构的复合膜。该复合膜能够通过膜蒸馏实现海水淡化、高盐废水零排放和其他废水的高效处理（如电镀重金属废水、印染废水和抗生素废水等），具有良好的膜蒸馏性能。

技术领域

本发明涉及一种热稳定、超疏水陶瓷-碳纳米管复合膜及其膜蒸馏水处理应用，其属于无机膜的技术领域。

背景技术

随着全球经济的发展和人口爆炸式增长，对水资源的需求不断增加。中国人均淡水量仅为世界的1/4，被列入世界上13个最贫水的国家之一。可利用淡水资源仅占地球水资源的十万分之七，而海水占97.3%，因此，海水和苦碱水淡化是目前也是将来满足工业和生活用水需求的重要选择。同时源自化工、冶金、电镀、石油和天然气等工业过程的工业高盐废水（总含盐质量分数至少1%的废水）中含有高浓度无机盐（Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、Ca²⁺等），如果直接排放，危及生态环境的同时还浪费水和盐类资源，常规处理方法中盐水浓度不能过高，亟待开发高盐废水的零排放处理技术。膜法海水淡化是实现淡水资源开源增量的主要途径之一。现有的膜法海水淡化技术主要有反渗透（RO）、电渗析（ED）、渗透蒸发（PV）、多效蒸发（MED）、多级闪蒸（MFS）和机械式蒸汽再压缩（MVR）等。虽然反渗透技术是目前主要的海水淡化技术（浓缩上限为~70-90g/L），运行成本较低，但是因为运行过程中盐度的升高会导致操作压力升高和膜污染等问题，其产生的浓水尚达不到直接工业利用的水平，只能直接排海，否则会造成环境污染，且反渗透不适用于高盐废水的淡化。电渗析（ED）的脱盐效率尚且不足，且由于海水电导率较高，造成电流效率低，运行成本能耗高。另外，电渗析易造成电解水和电极板的电化学腐蚀，对于高浓度含盐废水的处理也有一定难度（浓缩上限为~200g/L）。渗透蒸发（PV）是一种适用于高浓度海水淡化的技术，且处理效果理想，广泛应用于中东地区，但是其操作温度较高，能耗需求量较大。多效蒸发（MED）、多级闪蒸（MFS）和机械式蒸汽再压缩（MVR）存在着投资和运行成本高和装置不耐腐蚀等问题。

膜蒸馏（MD）是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离的目的。与其他分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械性能要求不高等优点。膜蒸馏技术是一种可以利用低温余热或废热实现海水、高浓度盐水或污水淡化的膜技术手段，理论上其能达到100%的回收，从而实现高盐水的零排放。随着低阶余热受到越来越多的重视，为膜蒸馏技术的能耗问题提供了解决途径，使得膜蒸馏在海水淡化和高盐水处理领域中的应用前景愈加广阔。对于膜蒸馏，分离膜的性质决定海水淡化和高盐水处理的效果以及设备运行时间和成本。首先，蒸馏膜需要具备良好的疏水性（超疏水性最优），这样可以防止液体进入膜孔道，并在固液界面形成蒸汽层；其次，蒸馏膜需具备高的孔隙率和适宜的膜孔径(100-300nm)减少膜阻力，以便水蒸气顺利透过膜体进入冷凝侧；最后，蒸馏膜还需具备良好的物化稳定性、 耐温性和抗润湿以及抗污染能力，保证其在海水淡化和高盐废水处理过程中维持良好的脱盐率和膜通量。目前，市场上的蒸馏膜主要为有机聚合物膜，如聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等，此类膜存在热稳定性、化学稳定性不足和膜污染等问题，导致长期运行时膜结构和性能的不同程度衰减，且商用有机聚合物膜并没有根据膜蒸馏操作条件进行设计，其膜蒸馏性能有待提高。因此，开发可用于海水淡化及高盐废水膜蒸馏的高性能新型膜材料具有重要的意义。