[发明专利]一种甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜及其制备方法与应用，所述方法包括：将甲壳类动物的壳体进行清洗和干燥，后于氮气氛围下高温热解，冷却后清洗和干燥获得甲壳类生物炭；将所述甲壳类生物炭进行球磨改性，获得改性甲壳类生物炭；将所述改性甲壳类生物炭与无水乙醇溶液混匀获得混合液，后将所述混合液通过抽滤使得所述改性甲壳类生物炭负载在基底膜上，获得负载生物炭的基底膜；将海藻酸钠溶液均匀棒涂在所述负载生物炭的基底膜的表面，后转移到CaCl₂溶液中浸泡以使充分交联，后清洗并晾干，获得甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜。分离效果好，可以有效避免分离层中材料的聚集现象，且抗压能力好。

技术领域

本发明涉及海藻酸钠水凝胶纳滤膜技术领域，特别涉及一种甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜及其制备方法与应用。

背景技术

染料废水因其高有机物含量、高色度和高盐分等特征已成为公认最难处理的废水之一。染料废水难以处理的主要原因来自其中高浓度的染料分子，并且大多数染料分子均具有致癌、致畸和致突变能力，严重威胁生态环境和用水安全。随着国家对环境保护力度的不断增加，染料废水的无害化、资源化处理并获得更多高质量回收水等成了满足不断升级的环保要求的巨大挑战。由于染料分子耐酸、耐碱和耐氧化能力较强，传统的水处理方法包括混凝沉淀法、高级氧化法和吸附等都难以完全去除染料分子。相比之下，膜分离技术可以高效的从染料废水中分离回收有用的染料分子且不会对环境造成二次污染，从而真正实现对染料废水的可持续处理。在众多膜分离技术中，纳滤膜分离技术能够有效从染料废水中回收水、染料以及无机盐组分，从而实现废水的“零排放”，最大程度上发挥废水经济效益。但是，传统商用纳滤膜通常同时截留染料废水中的染料分子和无机盐离子，从而大大降低回收的染料纯度。

为了解决这一难题，研究者们开发出了各种具有“疏松”功能层的高性能纳滤膜，此类纳滤膜对染料分子具有高保留率，而对无机盐离子具有高透过性，从而具备超高的染料/盐分离效率。但大多数“疏松”的纳滤膜表面都是疏水性的，这会导致染料分子不可逆地沉积在膜表面或膜孔中而降低膜的使用寿命。

海藻酸钠是一种线性天然阴离子多糖，它可以通过聚合物链的离子交联与某些二价阳离子(如Ca²⁺、Ba²⁺离子等)形成水凝胶。由于海藻酸钠水凝胶具有良好的成膜、再生和抗污染优点，被认为是构建过滤膜的合适材料。但是该方法形成的海藻酸钠水凝胶纳滤膜在应用时存在着“选择性与渗透性”的平衡问题，同时自支撑的海藻酸钙水凝胶膜的抗压能力较差。因此，需要进一步提高纳滤膜的分离与抗压性能。

海藻酸钠水凝胶纳滤膜常见的改性方法包括以下五种：1)通过表面改性增加膜表面亲水性，促进水传质过程；2)掺杂有机/无机材料中间层；3)通过构建具有“褶皱”结构的纳滤膜来增加膜表面有效接触面积；4)降低纳滤膜分离层厚度；5)窄化纳滤膜的孔径分布。相比之下，通过有机/无机材料的掺杂可以在保留纳滤膜截留性能的同时，为纳滤膜提供更多的水分子通道。另外，部分材料还会赋予改性纳滤膜部分特殊的功能来进一步提高膜的性能。目前常见的掺杂材料是以碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、还原石墨烯、MXenes等碳材料为主。这些碳材料的加入在一定程度上改善了海藻酸钠水凝胶纳滤膜的性能，但同时也存在着一些弊端，例如它们在膜分离层中的聚集现象可能会影响膜的稳定性，而且此类碳材料在生产过程通常较为复杂，在实际应用中的成本也往往较高。

因此，开发出有必要开发一种改性的海藻酸钠水凝胶纳滤膜，以解决现有海藻酸钠/Ca²⁺凝胶纳滤膜分离效果及抗压能力差的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜及其制备方法与应用，该甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜的分离效果好，可以有效避免分离层中材料的聚集现象，且抗压能力好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

在本发明的第一方面，提供了一种甲壳类生物炭/海藻酸钠复合凝胶纳滤膜的制备方法，所述方法包括：