[发明专利]水过滤膜

说明书

本发明提供一种水过滤膜，其能够去除重金属离子、滤除颗粒、滤除细菌以及从水中除去除草剂和挥发性有机化合物(VOC)。该膜由随机取向纳米粒子包覆的纳米纤维的垫组成。纳米纤维通过反应性官能团与嵌入或附着在聚合物纳米纤维的表面上的多个基本均匀分布的陶瓷纳米粒子共价键合。陶瓷纳米粒子具有在纳米粒子表面上形成的深沟槽的图案。纳米粒子与纳米纤维的键合足以在水流过该水过滤膜时使纳米粒子保留在纳米纤维表面上。纳米纤维的直径为50‑200nm。纳米粒子的尺寸40nm，在分散介质中的zeta电位为‑40至‑45mV。纳米微粒深沟槽具有约1.2nm或更低的平均尺寸。

技术领域

本发明涉及水过滤膜，更具体地，涉及由陶瓷纳米粒子包覆的聚合物纳米纤维制成的水过滤膜，其能够去除重金属并过滤颗粒和细菌。

背景技术

已将纳米粒子与纳米纤维结合用于各种技术应用。下面综述了用于将纳米粒子与纳米纤维组合的各种技术，例如(1)共混、(2)同轴静电纺丝、(3)前体的还原和(4)表面粘合。

(1)共混

共混是一种常规技术，其中将纳米粒子混合到用于纳米纤维的静电纺丝的溶液中。通常进行超声处理以使纳米粒子更好地分散到溶液中。也可加入表面活性剂以帮助分散。然而，由于纳米粒子被包封在纤维基质内，因此会使纳米粒子的活性降低。通过共混将纳米粒子与纳米纤维结合的主要缺点是：(i)纳米粒子的分散性差；(ii)纳米粒子的暴露不良。

(2)同轴静电纺丝

芯-壳纤维形态允许纳米粒子的靶向分布，要么更接近纳米纤维的表面，要么更接近纳米纤维的芯。这种纤维结构可以通过同轴静电纺丝产生，同轴静电纺丝涉及使用同轴喷丝头，其中材料的分布由在外部出口或芯出口处的进料溶液挤出来确定。通过同轴静电纺丝将纳米粒子与纳米纤维结合的主要缺点是：(i)生产率低；(ii)同质性差。

(3)前体的还原

不是将纳米粒子添加到静电纺丝溶液中，而是可以将无机盐前体添加到静电纺丝溶液中并进行静电纺丝以形成纤维。由于无机盐可以溶解在溶液中，因此其分散将更均匀。随后进行还原以将盐转化为纳米粒子。例如，可以将硝酸银溶解在静电纺丝溶液中，然后使用UV照射进行光还原，在80℃下进行热还原，或进行老化，以形成银纳米粒子。通过前体的还原将纳米粒子与纳米纤维结合的主要缺点是：(i)材料的选择有限；(ii)制造过程复杂。

(4)表面粘合

将纳米纤维直接静电纺丝到纳米粒子的悬浮液上

在这种方法中，使用纳米粒子的悬浮液，在悬浮液上直接静电纺丝。在这种技术中，纳米粒子可在形成时附着到纤维的表面上。

同步静电纺丝和电喷雾

可以使用同步静电纺丝和电喷雾将纳米粒子结合到膜内的纳米纤维的表面上。或者，可以使用超声雾化器、喷枪或其他喷雾装置代替电喷雾。喷雾可以针对静电纺丝喷射，使得在纤维沉积在垫上或在旋转收集器的相对侧之前将颗粒附着到纤维表面。

纳米纤维表面上的化学活性纳米粒子可以增加复合材料的活性。然而，存在纳米粒子可能从纳米纤维中脱落的风险，从而导致健康和环境风险。因此，本领域需要将纳米粒子固定在纳米纤维表面上的有效技术，特别是需要可针对商业生产进行放大的技术。

发明内容