[发明专利]一种抗润湿的超疏水膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种抗润湿的超疏水膜及其制备方法，采用低表面能的溶液涂覆结合纳米粒子形成的粗糙结构，在膜表面形成一种PDMS‑SiO₂‑PDMS“三明治”复合层。该复合层具有粗糙结构和低表面能，此膜具有超疏水性，且在膜蒸馏过程中具有高的抗润湿性。用该膜进行直接接触式膜蒸馏处理含有表面活性剂的水体，可以显著延长膜蒸馏的运行时间，稳定运行时间是PVDF原膜的20倍以上，产水能力提升15倍以上。

技术领域

本发明属于膜分离领域，涉及膜蒸馏过程中处理含有表面活性剂等能使膜迅速润湿的水体的过程，由其是一种抗润湿的超疏水膜及其制备方法。

背景技术

近年来，膜分离技术得到许多国家的重视，因此也得到了迅速的发展。膜蒸馏是以疏水微孔膜为介质，以膜两侧蒸汽压差为驱动力的膜分离技术。运行时，热料液中的挥发性组分在膜两侧的温度梯度产生的蒸汽压差下持续透过膜，并在冷侧进行冷凝，而不挥发组分则不能通过膜孔，以此来实现料液中各不同组分的分离而膜蒸馏技术作为一种物理分离的技术，整个过程无需各种化学添加剂，所以处理水体更加方便快捷。根据预期设计，可以利用海水余热或者一些低品位热源对海水进行膜蒸馏过程。膜蒸馏在海水淡化方面已经得到了很好的使用，其诸多优势也已经得到世界广泛的认可，膜蒸馏也有望在未来大规模应用于海水淡化。然而膜蒸馏的原理导致膜蒸馏用膜必须是疏水膜，而市面上的分离膜由于疏水性不够强，所以运行过程中有分离效率低、运行时间短和膜易被润湿等诸多问题。

膜润湿是指膜蒸馏在运行过程中，疏水微孔膜膜孔被料液浸润，导致水蒸气分子无法通过膜孔，而导致通量下降，电导率上升的现象。导致这一问题的关键是分离膜的疏水性不够强，长期的膜蒸馏运行过程中还是会被润湿。所以进一步提高分离膜的疏水性，抑制膜在运行过程中被润湿是膜蒸馏发展的一个重要方向。

在众多膜材料改性方法中，表面改性是指在材料表面上进行改性，与本体改性相比成本较低，具体包括：化学氧化处理、表面电晕处理、表面火焰处理、表面热处理、表面涂覆和表面接枝聚合。使用表面改性的特点是：材料内部属性没有发生变化，而表面性质会得到增强。表面改性包括表面涂覆改性和表面接枝改性。表面涂覆改性是通过制备涂覆液，然后将需要改性的膜在涂覆液中进行涂覆，被涂覆的原膜表面会形成一层特定的功能层，从而在膜表面获得预期的性能，通常原膜涂覆完之后需要进行烘干固化等后续操作。表面接枝改性是指通过一定的方法使聚合物材料表面产生自由基，而后将具有一定功能的基团、单体、与高分子链进行聚合，这样在一段很长的高分子链上就能产生一些支链，以达到我们想要的效果。在膜的接枝聚合改性中，基团以及一些特定的功能性物质会始终固定在材料表面，而不会消失，改性材料的功能时效也因此得到保证。由于高分子链上自由基产生的途径不完全一致，我们可以将表面接枝聚合分为以下几个类型：等离子引发、辐射引发、添加引发剂而产生的氧化还原引发等。

一般来讲，材料表面的疏水性是由表面能和表面粗糙度决定的。所以提高膜表面的疏水性，根本上是从降低表面能和提高粗糙度入手。目前表面涂覆改性的方法，大多涂覆材料多是含氟的低表面能材料，这种材料不但有毒而且昂贵。而表面接枝改性又会对膜本体造成一定的破坏，使得膜强度下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高抗润湿性的超疏水复合膜及其制备方法，在膜表面利用有机硅材料涂覆，结合溶胶凝胶法，在膜表面形成一种类似于“三明治”的涂覆层，有机硅材料的低表面能和纳米颗粒的粗糙结构可以使膜获得超疏水性。这样制得的复合膜在膜蒸馏运行中，可以用来处理含有表面活性剂的水体且长时间不被润湿。

实现本发明目的的技术方案为：

一种抗润湿的超疏水膜，该疏水膜的疏水层由有机硅-纳米粒子-有机硅三层结构组成。采用有机硅材料在膜表面进行涂覆，然后用溶胶凝胶法在涂层表面负载纳米粒子，最后在纳米粒子表面再涂覆一层薄薄的有机硅材料。通过超疏水涂覆层来赋予膜超疏水以及抗润湿性能。

具体包括如下步骤：

(1)清洗PVDF原膜：用无水乙醇浸泡清洗，然后用去离子水进行反复清洗，干燥。