用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜、制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及膜蒸馏技术，公开了一种用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜、制备方法及应用，该Janus膜包括亲水层、疏水层、微球层；微球层由多个表面吸附有多个纳米级SiO2颗粒的微米级微球组成，各微球分布在亲水层与疏水层之间及疏水层向外的表面上、与形成疏水层的电纺纳米纤维相互交织；微球与纳米级SiO2颗粒、电纺纳米纤维通过在三维空间层叠、交织，进行多级立体网络和粗糙度构建，形成具有多级粗糙度和非均匀孔隙的网络结构的Janus膜，经过氟化后获得具有多级粗糙度高疏水层，在提高Janus膜表面粗糙度和疏水性的同时，增加表面蒸发面积、提高水通量，可广泛应用于高盐度海水的淡化处理。理。理。

【技术实现步骤摘要】
用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及膜蒸馏脱盐与功能新材料
，具体涉及一种用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]水资源匮乏以及水污染问题是人类社会可持续发展的重要阻碍之一。因而，开发一种高效、便捷的水处理技术一直是一个热门的研究课题。膜分离技术因其低污染、低能耗等优势被广泛应用于水的净化以及海水淡化等领域中。
[0003]近年来，三维多孔膜材料（Janus膜）由于两侧具有不对称的性质，展现出优异的水定向运输性能及极大的实际应用价值而备受关注。
[0004]随着界面太阳能蒸汽发电技术的发展，太阳能直接脱盐技术因其成本低、环境友好的优势被认为是一种很有潜力的技术。膜蒸馏 (MD) 作为一种热驱动的膜工艺被认为是传统脱盐技术（如多级闪蒸）的可行且经济的替代方案，因为它易于操作且可利用低品位热量（例如，废热和太阳能），与反渗透等压力驱动的膜脱盐技术相比，MD 工艺具有更低的能耗和膜污染倾向。然而，由于缺乏具有优异蒸汽渗透性、较高的脱盐率、高热稳定性和良好抗污染能力的高效膜，仍然是MD工艺在海水淡化中广泛实际应用的主要障碍。
[0005]Janus膜是一种新兴的具有液体单通道性能的分离膜，所谓Janus膜是指两侧性质具有悬殊差异的分离膜材料，通常这种差异表现在膜两侧的化学浸润性质不同，因此在表面化学势的驱动下，可以使得液体在三维多孔膜材料横截面层间发生各向异性运输。Janus膜在许多领域，特别是在海水淡化、饮用水处理和废水处理中表现出很好的应用前景。但是，由于Janus 膜中的亲水膜层与疏水膜层的界面相容性差，目前的Janus 膜的结构稳定性较差，有效使用时间较短（在诸多报道中其寿命仅有数小时），而且水通量较低，大大限制了其规模化应用。
[0006]此外，现有的Janus膜及其制备方法仍然存在一些不足，且对Janus膜的制备方法工艺复杂，工艺参数控制要求高，难以实现工业化。例如，中国专利技术专利申请CN201910478828.0公开的一种具有自动导湿功能柔性Janus静电纺丝纤维膜的制备方法，其以甲基丙烯酸甲酯MMA、甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA和丙烯酸丁酯BA为单体，通过溶液聚合方法得到具有化学反应活性和柔性高分子链的PGMA
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co
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PMMA
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co
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PBA无规聚合物基体，然后通过静电纺丝技术得到纤维膜；最后通过化学修饰手段对其两表面分别进行疏水和亲水化功能修饰，得到具有自动导湿功能的柔性Janus静电纺丝纤维膜。但是，采用该方法制备的过程复杂，需要使用的化学改性，该材料表面浸润性较低，使用范围有限。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，通过同步电喷，在微米级电喷PVDF珠子上负载纳米级SiO2颗粒、同时形成三维交织的疏水层与微球层，不仅有利于构建多级粗糙度膜表面形貌，而且增大膜表面蒸发面积，
从而提高DCMD（直接接触膜蒸馏）过程水通量。
[0008]本专利技术的另一目的在于提供所述一种该用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜的制备方法，采用合理的组分、配比及同步电喷工艺，简化制备工艺过程，使该Janus膜能够形成疏水层相互交织的微球层，在膜内部相互稳定连接的多层弹性3D网络孔隙结构，在薄疏水层的外表面上构建出独特的多级粗糙度，增强膜材料的整体稳定性、表面疏水性，提高水通量和脱盐效率。
[0009]本专利技术还提供了该高通量电纺Janus膜在海水淡化等DCMD中的应用，充分利用该膜具有的微球与纳米球的多尺度孔隙结构，提高水通量和脱盐效率。
[0010]为实现前述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，其特征在于，其包括依次层叠的亲水层、疏水层、微球层；所述的微球层由多个表面吸附有多个纳米级SiO2颗粒的微米级微球组成，各微球分布在亲水层与疏水层之间及疏水层向外的表面上、与形成疏水层的电纺纳米纤维相互交织，该微球层在热压后在亲水层与疏水层之间的间隙内，为亲水层与疏水层提供弹性支撑、间隔和连接，在疏水层的外侧表面上修饰该表面、在经过氟化后与疏水层的电纺纳米纤维共同形成具有多级粗糙度的高疏水层；多个微米级微球与纳米级SiO2颗粒、电纺纳米纤维通过在三维空间层叠、交织，进行多级立体网络和粗糙度构建，形成具有多级粗糙度和非均匀孔隙的网络结构的Janus膜，在提高所述Janus膜表面粗糙度和疏水性的同时，增加表面蒸发面积、提高水通量。
[0011]所述的亲水层为PAN溶液在金属箔表面粘连静电纺丝、得到众多无定型 PAN 纳米纤维，层叠后热压，而得到的亲水性纳米纤维层，作为Janus膜的热压PAN基底。
[0012]所述的疏水层为PVDF溶液电喷在热压的PAN基底上的众多无定型PVDF纳米纤维形成。
[0013]所述的微球层，为PVDF与APTES制备的PVDF组合物溶液，电喷在热压的PAN基底上形成的多个微球，并且在各个微球上吸附纳米级SiO2颗粒而形成。
[0014]所述的PVDF组合物溶液与PVDF溶液同步电喷在热压的PAN基底上，同步形成多个相互交织的无定型PVDF纳米纤维与微球。
[0015]一种前述用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：亲水层制备：将PAN粉末溶解在二甲基甲酰胺中，搅拌，制备出PAN溶液；将PAN溶液在金属箔表面粘连静电纺丝、得到众多无定型 PAN 纳米纤维，层叠后热压，而得到的亲水性纳米纤维层，作为Janus膜的热压PAN基底；S2：疏水层溶液制备：将PVDF粉末置于二甲基甲酰胺DMF、四氢呋喃THF的混合溶剂中，搅拌条件下完全溶解，得到PVDF溶液；S3：微球溶液制备：取步骤S2制备的PVDF溶液中的50%，将APTES逐滴添加到其中，得到PVDF组合物溶液；步骤S2制备的剩余50%的PVDF溶液直接用于步骤S4的PVDF溶液电喷；S4：同步电喷：分别对PVDF溶液、PVDF组合物溶液超声处理后，将PVDF溶液、PVDF组合物溶液各自独立电喷、以相同的参数同步电喷在热压PAN基底上，同步形成相互交织的电纺PVDF纳米纤维和微米级PVDF组合物微球，得到具有亲水层、疏水层、微球层的Janus膜；S5：吸附SiO2颗粒：将Janus膜置入无水乙醇中浸泡直至完全润湿，用超纯水冲洗
后，再置入纳米级SiO2颗粒的水溶液中浸泡，后取出后，再用超纯水用冲洗除去未经静电引力吸附而直接堆积在膜表面的SiO2颗粒；S6：后处理：烘干，再置入全氟癸基三乙氧基硅烷FTDS与正己烷溶液中浸泡、氟化，最后在120 ℃下热压处理即得到高通量电纺Janus膜。
[0016]一种前述的用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜的应用，将其应用于采用DCMD直接接触膜蒸馏工艺，处理高盐度海水。
[0017]所述的高通量电纺Janus膜为电喷 PVDF微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，其特征在于，其包括依次层叠的亲水层、疏水层、微球层；所述的微球层由多个表面吸附有多个纳米级SiO2颗粒的微米级微球组成，各微球分布在亲水层与疏水层之间及疏水层向外的表面上、与形成疏水层的电纺纳米纤维相互交织，该微球层在热压后在亲水层与疏水层之间的间隙内，为亲水层与疏水层提供弹性支撑、间隔和连接，在疏水层的外侧表面上修饰该表面、在经过氟化后与疏水层的电纺纳米纤维共同形成具有多级粗糙度的高疏水层；多个微米级微球与纳米级SiO2颗粒、电纺纳米纤维通过在三维空间层叠、交织，进行多级立体网络和粗糙度构建，形成具有多级粗糙度和非均匀孔隙的网络结构的Janus膜。2.根据权利要求1所述的用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，其特征在于，所述的亲水层为聚丙烯腈PAN溶液在金属箔表面粘连静电纺丝、得到众多无定型 PAN 纳米纤维，层叠后热压，而得到的亲水性纳米纤维层，作为Janus膜的PAN基底。3.根据权利要求2所述的用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，其特征在于，所述的疏水层为聚偏二氟乙烯PVDF溶液电喷在热压的PAN基底上的众多无定型PVDF纳米纤维形成。4.根据权利要求2所述的用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，其特征在于，所述的微球层，为聚偏二氟乙烯PVDF与氨丙基三乙氧基硅烷APTES制备的PVDF组合物溶液，电喷在热压的PAN基底上形成的多个微米级微球，并且在各个微米级微球上吸附纳米级SiO2颗粒而形成。5.根据权利要求4所述的用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜，其特征在于，所述的PVDF组合物溶液与PVDF溶液同步电喷在热压的PAN基底上，同步形成多个相互交织的无定型PVDF纳米纤维与微米级微球。6.一种权利要求1
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5任一项所述用于膜蒸馏的高通量电纺Janus膜的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：亲水层制备：将PAN粉末溶解在二甲基甲酰胺中，搅拌，制备出PAN溶液；将PAN溶液在金属箔表面粘连静电纺丝、得到众多无定型 PAN 纳米纤维，层叠后热压，而得到的亲水性纳米纤维层，作为Janus膜的热压PAN基底；S2：疏水层溶液制备：将PVDF粉末置于二甲基甲酰胺DMF、四氢呋喃THF的混合溶剂中，搅拌条件下完全溶解，得到PVDF溶液；S3：微球溶液制备：取步骤S2制备的PVDF溶液中的50%，将APTES逐滴添加到其中，得到PVDF组合物溶液；步骤S2制备的剩余50%的PVDF溶液直接用于步骤S4的PVDF溶液电喷；S4：同步电喷：分别对PVDF溶液、PVDF组合物溶液超声处理后，将PVDF溶液、PVDF组合物溶液各自独立电喷、同步电喷在热压PAN基底上，同步形成相互交织的电纺PVDF纳米纤维和微米级PVDF组合物微球，得到具有亲水层、疏水层、微球层的Janus膜；S5：吸附SiO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：于云江，李良忠，刘畅，马瑞雪，阳宸煜，史国峰，张蕾，卢伦，
申请(专利权)人：生态环境部华南环境科学研究所生态环境部生态环境应急研究所，
类型：发明
国别省市：