[发明专利]一种中空纤维复合纳滤膜、其制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种中空纤维复合纳滤膜、其制备方法及其应用；所述的中空纤维复合膜的制备方法包括二维纳米材料修饰层的制备步骤和皮层的制备步骤；本发明通过先在中空纤维基膜表面上修饰一薄层二维纳米材料，再在二维纳米材料修饰层上进行界面聚合，显著地提高了复合膜的通量和截留性能；所述的二维纳米材料修饰层能够改善基膜的物理化学性质，改善膜的孔径、孔径分布和亲水性等，进而更有效地调控后续的界面聚合过程，提高了膜的分离性能；本发明制备工艺简单，在水处理方面具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种中空纤维复合纳滤膜、其制备方法及其应用。

背景技术

人口的快速增长和工业化使淡水危机成为威胁人类健康的最严重问题之一。海水淡化成为解决水资源短缺的一个重要途径。目前应用的海水淡化技术主要是基于膜分离的反渗透技术和热蒸馏技术。与传统的分离方法相比，膜分离方法具有节约能源、分离效率高、环境友好等特点。纳滤膜由于其电荷排斥和空间位阻效应，可以有效地截留Ga²⁺、Mg²⁺、SO4^2-等易结垢二价离子和小分子有机物，降低海水的浊度、硬度和海水TDS，减缓膜结垢和污染趋势，可以广泛地用于海水软化和海水淡化的前处理过程。

纳滤膜主要有两种构型，卷式和中空纤维式。与卷式纳滤膜相比，中空纤维纳滤膜由于其比表面积大、填充密度高、自支撑、膜组件易制备等特点，在工业化应用方面潜力巨大。

整体非对称膜和薄层复合膜是目前中空纤维纳滤膜的两种主要结构。通过界面聚合、涂覆的方法在多孔支撑层的表面构筑一层超薄分离层的方法制备的膜相比传质阻力小、渗透通量较大。在界面聚合法制备TFC膜过程中，基膜的物理化学性质(孔径、孔隙率、孔径分布、亲水性等)扮演了重要角色。基膜不同，制备出的复合膜的性能也存在较大差异。单纯的聚合物基膜制备出的膜往往存在皮层较厚、粗糙度较大、渗透通量低、不耐污染等缺点。

超薄二维纳米材料是一类新兴的纳米材料，具有片状结构，平面尺寸最大可超过100nm或几个微米甚至更大，但是厚度只有单个或几个原子厚(典型厚度小于5nm)。由于二维材料在拥有极大平面尺寸的同时还能保持原子厚度，因此赋予了二维材料极大的比表面积，并暴露出最多的表面原子。由于电子被限制在二维平面内(尤其对于单层二维材料)，增进了其电子特性。强烈的面内共价键和原子层厚度使二维材料表现出了出色的机械强度和柔性。其中，氧化石墨烯(GO)作为一种新型的二维纳米材料因其表面和周边具有各种含氧官能团，在液体过滤和分离方面具有巨大潜力。

中空纤维基膜表面难以形成稳定而均匀铺展的水相单体溶液薄层，从而影响了界面聚合层的性能，使该方法所制备出的中空纤维复合纳滤膜存在通量较低、分离性能较差、机械性能较低、工业化困难等一系列技术问题，亟待解决。

发明内容

本发明针对现有技术中的中空纤维复合纳滤膜通量较低、分离性能较差、机械性能较低、工业化困难等一系列技术问题，提出了一种中空纤维复合纳滤膜、其制备方法及其应用，所制备的复合膜具有超薄皮层和很好的分离性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

本发明的第一个方面是公开了一种中空纤维复合纳滤膜，其断面为三层结构：(1)中空纤维基膜；(2)由二维纳米材料构成的中间层；(3)聚酰胺分离皮层。

优选的，所述的中空纤维基膜为中空纤维超滤膜或中空纤维微滤膜。

优选的，所述的中空纤维基膜的材质包括聚砜和聚醚砜；优选的，所述的中空纤维基膜的材质为聚砜或聚醚砜。

优选的，所述的中空纤维基膜的分离皮层为内皮层。

优选的，所述的中空纤维基膜的分离皮层为外皮层。

优选的，所述的一种中空纤维复合纳滤膜包括纳滤膜和反渗透膜。