一种海水蒸发淡化膜材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种海水蒸发淡化膜材料、其制备方法及应用。所述海水蒸发淡化膜材料包括支撑层以及设置于所述支撑层上的聚合物‑纳米粒子复合薄膜层，所述聚合物‑纳米粒子复合薄膜层包括聚合物薄膜层以及与所述聚合物薄膜层复合的纳米粒子。所述制备方法包括：将支撑层依次与氧化剂的溶液、聚合物材料溶液和纳米粒子材料溶液接触，反应获得海水蒸发淡化膜材料。本发明专利技术的海水蒸发淡化膜材料具有高淡化率、高截留率、抑菌、力学性能高等优点，并且其制备工艺简单，对环境因素要求低，成本低廉，不需要昂贵和复杂的实验设备，不会对周围环境造成不利影响，能够满足工业化生产的需求。

A membrane material for seawater desalination, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种海水蒸发淡化膜材料、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种薄膜材料，特别涉及到一种海水蒸发淡化膜材料及其制备方法与应用，属于膜材料

技术介绍
水是生命的源泉，是支撑经济、社会发展的必需资源。随着我国经济社会的快速发展和城市化进程的不断推进，水资源总量短缺和时空匹配矛盾日益突出，特别在沿海地区和海岛，水资源缺乏已成为制约经济社会发展的瓶颈之一。全球超过十亿人缺乏淡水，相关学者推算，到2025年将有三分之二的世界人口面临缺乏淡水。与此同时，海水资源非常丰富，如何将海水淡化成饮用水是人类一直追求的目的。海水淡化作为稳定的水资源增量技术，是解决我国沿海和临海地区水资源供需矛盾、优化水资源结构和保障供水安全的重要战略选择。常用的海水淡化途径过滤法，但是从经济效益方面考虑，其所需的过滤膜需经常更换，成本高、技术难度大、耗能大、经济负担重，从海水处理的效果考虑，其依旧存在蒸发效率低和细菌腐蚀等问题，严重制约其发展。专利CN104941461A公布了一种海水淡化用纳滤膜及其制备方法，其结构包括无纺布层、聚砜多孔支撑层、超薄多孔过渡层和聚酰胺交联网络脱盐层；在聚砜多孔支撑层和聚酰胺交联网络脱盐层之间具有厚度为5～10微米的超薄多孔过渡层；还涉及纳滤膜的制备方法，包括聚砜多孔支撑层的制备、超薄多孔过渡层的制备、聚酰胺交联网络脱盐层的制备步骤。专利CN107812452A公布了一种海水淡化膜及其制备方法，包括以下步骤：A、制备成膜剂：取丁二烯苯乙烯共聚物溶解于溶剂中，静置至形成透明胶状物，所述透明胶状物为成膜剂；B、取溶剂，高速搅拌，将物料投入至所述溶剂中，高速分散；所述物料为：纳米级二氧化锰；碳纳米管；纳米级导电黑粒；C、将步骤A得到的成膜剂投入所述步骤B中，高速分离20～40min，得到纳米混合物；D、将步骤C的纳米混合物涂布于骨架上，通风，干燥，得到海水淡化膜；其中，上述的溶剂为苯类、酮类、酯类、醚类中任意一种。从效果而言，上述专利并未提及长期工作后其表面附着的细菌处理。专利CN105833749A公布了一种新型抗生物污染的聚酰胺反渗透复合膜的制备方法。通过原子转移自由基聚合对聚酰胺反渗透膜进行接枝改性并负载杀菌粒子，得到兼具抗生物附着和具有抗菌性的复合反渗透膜。上述专利负载杀菌性的银纳米粒子在长期暴露空气中会被氧化，降低抗菌性能。德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华等人发展了一种具有分级纳米结构的凝胶用于海水蒸发，其蒸发效率在一个太阳下能够达到3.2kg/m2/h，但是其的材料强度仅有104Pa,并且制备过程要经过10次冷冻干燥，比较复杂。阿卜杜拉国王科技大学的王鹏等人通过将氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤的方法获得了发展了一种3D结构的海水蒸发器，但是其在一个太阳下效率仅能达到1.59kg/m2/h。南京大学朱嘉教授课题组利用海水蒸发过程中的所产生的蒸汽放出的热量，将收集容器中的灭菌(AdvancedMaterials，DOI:10.1002/adma.201805159)，但是，其对海水中的细菌没有抑制作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种海水蒸发淡化膜材料，以克服现有技术的不足。本专利技术的又一目的在于提供所述海水蒸发淡化膜材料的制备方法。本专利技术的还有一目的在于提供所述海水蒸发淡化膜材料的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种海水蒸发淡化膜材料，其包括支撑层以及设置于所述支撑层上的聚合物-纳米粒子复合薄膜层，所述聚合物-纳米粒子复合薄膜层包括聚合物薄膜层以及与所述聚合物薄膜层复合的纳米粒子。本专利技术实施例还提供了一种海水蒸发淡化膜材料的制备方法，其包括：将支撑层依次与氧化剂的溶液、聚合物材料溶液和纳米粒子材料溶液接触，反应获得所述的海水蒸发淡化膜材料。在一些实施例中，所述制备方法具体包括：(1)将支撑层浸渍于氧化剂的溶液中，取出干燥；(2)将步骤(1)所获支撑层浸渍于聚合物材料溶液中，取出干燥；(3)将步骤(2)所获支撑层置于纳米粒子材料溶液中进行聚合反应，之后取出干燥，获得所述的海水蒸发淡化膜材料。本专利技术实施例还提供了前述海水蒸发淡化膜材料于海水淡化领域的用途。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术提供的海水蒸发淡化膜材料可以实现薄膜材料的形貌(分层结构)、厚度(1-20μm，精确度为20～100nm)和孔径(10-100nm，精确度为5～10nm)等尺寸精确可控；2)本专利技术提供的海水蒸发淡化膜材料具有高淡化率、高截留率、抑菌、力学性能高等优点，解决了当前海水淡化材料效率低、功能性单一等问题，其蒸发量大于2.0kg/m2/h，对浓度为10-10000mg/L的Na+、Mg2+、Ca2+、K+等中的一种或多种混合体系均具有99.95％及以上的截留率；3)本专利技术提供的海水淡化蒸发膜材料具有较好的抗菌性，针对厌氧菌、好氧菌的破坏率分别大于94％及96％；4)本专利技术提供的海水淡化蒸发膜材料的拉伸性能在6-15Mpa之间，可折叠成任意形状，耐着度高，折叠后再次打开用于海水蒸发测试，蒸发量保持率大于95％；5)本专利技术提供的海水淡化蒸发膜材料的制备方法工艺简单，对环境因素要求低，原料价格低廉，可大面积制备，且无需昂贵和复杂的制备仪器、高温作用和催化剂，耗时少，且不会对周围环境造成不利影响，能够满足工业化生产的需求，具有较好的规模化制备应用前景。附图说明图1是本专利技术一典型实施方案之中一种海水蒸发淡化膜材料的微观结构示意图。图2是本专利技术实施例1所制备的海水蒸发淡化膜材料的图片。图3a、图3b分别是本专利技术实施例1所制备的海水蒸发淡化膜材料的微观形貌图和润湿性结果示意图。图3c、图3d分别是没有修饰的纸支撑层的微观形貌图和润湿性结果示意图。图4是本专利技术实施例1所制备的海水蒸发淡化膜材料用于海水淡化实验的蒸发量结果示意图。图5a和图5b是本专利技术实施例1所制备的海水蒸发淡化膜材料用于海水淡化实验，不同浓度的离子的截留率示意图。图6是本专利技术实施例1所制备的海水蒸发淡化膜材料的力学性能测试结果示意图。图7a-图7f分别是本专利技术实施例1所制备的海水蒸发淡化膜材料折叠成多种形状的示意图。图8是本专利技术对照例3中分级纳米结构的凝胶的力学性能示意图。图9是本专利技术对照例4中氧化石墨烯和碳管的混合液抽滤薄膜的对太阳光的海水淡化量示意图。图10是本专利技术对照例5中海水淡化的同时实现接收容器中的灭菌过程示意图。具体实施方式鉴于当前海水淡化膜材料面临的严峻问题，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的系一种海水蒸发淡化膜材料，如图1所示，所述海水蒸发淡化膜材料包括具有隔热作用的支撑层以及设置于所述支撑层上的具有吸热及抑菌性能的聚合物-纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海水蒸发淡化膜材料，其特征在于包括支撑层以及设置于所述支撑层上的聚合物-纳米粒子复合薄膜层，所述聚合物-纳米粒子复合薄膜层包括聚合物薄膜层以及与所述聚合物薄膜层复合的纳米粒子。/n

【技术特征摘要】
1.一种海水蒸发淡化膜材料，其特征在于包括支撑层以及设置于所述支撑层上的聚合物-纳米粒子复合薄膜层，所述聚合物-纳米粒子复合薄膜层包括聚合物薄膜层以及与所述聚合物薄膜层复合的纳米粒子。


2.根据权利要求1所述的海水蒸发淡化膜材料，其特征在于：所述支撑层包括纸支撑层；优选的，所述纸支撑层的材质包括复合纸、印刷纸、纸袋纸、瓦楞纸、凹版纸、凸版纸或牛皮纸，优选为印刷纸；和/或，所述支撑层的平滑度为10～30s；和/或，所述支撑层的水分含量为1～6wt％；和/或，所述支撑层的形状包括锯齿形、平纹形、菱形、阶梯形或螺纹形；和/或，所述支撑层的面积为0.1～20.0m2，厚度为1～20μm；和/或，所述支撑层所含孔洞的孔径为10～100nm。


3.根据权利要求1所述的海水蒸发淡化膜材料，其特征在于：所述聚合物薄膜层的厚度为10～60nm；和/或，所述聚合物薄膜层的材质包括聚吡咯衍生物和/或聚苯胺衍生物；优选的，所述聚吡咯衍生物包括聚吡咯与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚吡咯，所述聚苯胺衍生物包括聚苯胺与高分子材料的共聚物和/或掺杂聚苯胺；
优选的，所述高分子材料包括极性高分子；优选的，所述高分子材料包括聚丙烯酸、聚乙二醇、聚丙三醇、聚苯甲酸、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸二甲胺乙酯中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述掺杂聚吡咯或掺杂聚苯胺中所含掺杂元素包括N、S、Si、Bi、Ti、P中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述聚吡咯衍生物的数均分子量为5000～50000；
优选的，所述聚苯胺衍生物的数均分子量为1000～10000。


4.根据权利要求1所述的海水蒸发淡化膜材料，其特征在于：所述纳米粒子包括二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氧化锌、石墨烯量子点中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述纳米粒子的尺寸为5～10nm；
和/或，所述纳米粒子包括二氧化钛-金复合纳米粒子和/或二氧化硅-金复合纳米粒子；优选的，所述二氧化钛-金复合纳米粒子包括二氧化钛纳米粒子与金纳米粒子的复合物；优选的，所述二氧化硅-金复合纳米粒子包括二氧化硅纳米粒子与金纳米粒子的复合物；优选的，所述金纳米粒子的尺寸为10～100nm，尤其优选为28～40nm；优选的，所述金纳米粒子的形状包括棒状、球状、星状或指南针状，尤其优选为指南针状；
和/或，多个所述的纳米粒子沉积在所述聚合物薄膜层上形成纳米粒子薄膜层，优选的，所述纳米粒子薄膜层的厚度为5～20nm。


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【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，倪锋，谷金翠，肖鹏，张佳玮，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33