一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜、制备方法与应用技术

一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜、制备方法与应用，涉及膜分离技术和新材料领域，制备方法包括混合基质铸膜液的配制、高速离心涂膜、干燥及热交联步骤。PVA基质中的MXene纳米片在离心场的低转速下水平铺展，在高转速下向PVA基质的底部迁移，并最终层层堆叠在PVA混合基质分离层的底部。因此，PVA混合基质分离层和疏水的支撑体膜的相容性、结合力得以提升。同时，层层堆叠自主装的MXene纳米片构建了层间的亲水渗透通道，进而进一步提升了PVA膜的醇/水分离性能。本发明专利技术对混合基质渗透汽化膜的制备方法进行了优化，过程简单，易于控制，具有产业化生产前景。具有产业化生产前景。具有产业化生产前景。

【技术实现步骤摘要】
一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜、制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及膜分离技术和新材料领域，具体是涉及一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜、制备方法与应用。

技术介绍

[0002]乙醇水溶液的浓缩、制备无水乙醇一直是燃料乙醇应用的高耗能环节之一。传统的精馏工艺具有高能耗，且易形成恒沸体系的缺陷，限制了乙醇浓度的进一步提高。
[0003]渗透汽化膜分离技术，是一种低能耗、高选择性、易于与其他分离方法耦合的新型乙醇脱水分离技术。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)作为亲水的有机高分子聚合物，是制备渗透汽化膜的材料之一，在渗透汽化法乙醇脱水领域受到了广泛关注。纯PVA膜易溶于热水，长期运行稳定性差。因此，需要对PVA膜进行热交联或化学交联，构建PVA分子链网状结构，提高PVA膜的稳定性。然而，PVA分子链的交联会提高PVA膜的致密性，降低PVA膜的渗透性能。中国专利[CN 1459326A]利用小分子添加剂调控PVA膜种分子链的自由体积，增大膜的疏松性，提高膜的渗透性能。中国专利[CN103331109A]和中国专利[CN 104759212A]向PVA膜中引入超支化聚合物，提高PVA膜的渗透通量。另外，新型的亲水纳米材料，如氧化石墨烯(GO)等也被用于改进PVA膜的渗透性能，制备PVA混合基质膜。中国专利[CN 108479423A]向PVA膜中添加亲水的GO纳米片，提高膜的渗透性能。中国专利[CN 112588118A]将改性SiO2纳米颗粒加入PVA膜中提高膜的亲水性。
[0004]亲水纳米粒子在PVA膜中不但会提高膜的亲水性，还在膜中构建亲水的渗透通道，进一步提高膜的醇/水分离性能。因此，亲水纳米粒子的微观形貌及在PVA膜中的分布影响PVA膜中亲水渗透通道的构建，是决定膜分离性能的重要因素之一。目前，关于纳米粒子在PVA混合基质膜中的定向分布及渗透通道构建的研究未见发表，相关国内外专利技术专利也未见发表。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜、制备方法与应用，这种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜具有高的渗透通量和分离系数。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜的制备方法，包括混合基质铸膜液的配制、高速离心涂膜、干燥及热交联步骤，在铸膜液配制阶段让MXene纳米片与交联剂分子发生相互作用，形成交联剂分子修饰的MXene纳米片，并在PVA溶液中均匀分散；在高速离心场的作用下，PVA混合基质铸膜液在疏水支撑体膜上均匀涂覆，并通过改变料液粘度和离心转速控制液膜层厚度，调控MXene纳米片的自组装过程，让MXene纳米片层层堆叠在液膜层的底部；最后将得到的支撑体膜及其表面的PVA液膜一同进行干燥及热交联处理，制备
得到MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜。
[0008]作为本专利技术的优选技术方案，所述混合基质铸膜液的配制步骤为：将水、PVA、MXene纳米片和交联剂混合，经机械搅拌、超声分散、剪切分散制备得到均一的PVA混合基质铸膜液。
[0009]进一步优选技术方案为：混合基质铸膜液中，PVA的质量分数为1％～10％，优选为3％～5％；MXene纳米片的质量分数为0.1％～1％，优选为0.2％～0.5％；交联剂的质量分数为0.5％～5％，优选为1％～3％；其余的是水。所述PVA的分子量是70000～85000g/mol，醇解度为98％～100％，平均聚合度为1700～1850；所述MXene纳米片为Ti3C2T
x
系MXene纳米片层材料；所述交联剂为磺基琥珀酸、丙三醇、三乙醇胺、聚丙烯酸、己内酰胺、丁二醇中的一种。水、PVA、MXene纳米片和交联剂混合后，依次在500rpm下进行机械搅拌2h、在400W的超声中分散4h、在5Kr/min的剪切机中分散4h；最后静置脱泡24h后得到混合基质铸膜液；用旋转粘度计测定混合基质铸膜液的粘度，其范围为2000～5000mPa
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s，优选为3000～3800mPa
·
s。
[0010]作为本专利技术的优选技术方案，所述高速离心涂膜步骤为：将支撑体膜片固定在高速离心涂膜机的水平托盘上，向支撑体膜片表面倾倒一定量的铸膜液；打开涂抹机开关，让支撑体膜在低转速100～2000rpm，优选500～1000rpm下稳定运行5s～2min，优选30s～1.5min，再在高转速3000～6000rpm，优选3000～4500rpm下稳定运行10s～1min，优选10s～30s，得到表面有均匀PVA混合基质铸膜液层的支撑体膜。
[0011]进一步优选技术方案为：所述支撑体膜的材料为聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)，其平均孔径为0.22μm，平均厚度为90～120μm。
[0012]作为本专利技术的优选技术方案，所述干燥及热交联步骤为：将涂覆均匀的支撑体膜置于电热鼓风干燥箱中，箱体温度设定80～120℃，干燥时间为12～24h，得到干燥的PVA混合基质复合膜；再将干燥的PVA混合基质复合膜置于电热烘箱中热交联，箱体温度设定150～250℃，优选150～170℃，交联时间为1～10h，优选2～4h，得到MXene/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜。
[0013]本专利技术的另一目的为提出一种上述方法制备的MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜，以及在乙醇脱水中的应用。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：
[0015]1、本专利技术所制备的MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜，其中交联剂分子通过氢键等相互作用修饰MXene纳米片，通过增加表面电荷及空间位阻效应促进MXene纳米片在PVA混合基质溶液中的均匀分散。在离心场的低转速下，MXene纳米片在PVA混合基质溶液层中均匀地水平铺展；在离心场的高转速下，均匀铺展的MXene纳米片向PVA液膜层的底部迁移，并最终层层堆叠在PVA混合基质分离层的底部。
[0016]2、由于MXene纳米片表面含有丰富的
‑
F官能团，可以与PTFE、PVDF支撑体膜表面发生较强的相互作用，从而提升亲水的PVA混合基质分离层和疏水的支撑体膜的相容性；随着MXene纳米片迁移的交联剂会增加PVA混合基质分离层底部的交联度，从而进一步增强分离层和支撑体膜的结合力；更重要的是，层层堆叠自主装的MXene纳米片提高了PVA混合基质分离层的亲水性，构建了层间的亲水渗透通道，从而进一步提升了PVA膜的醇/水分离性能。
[0017]3、本专利技术提出的MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜的制备方法，对传统
混合基质渗透汽化膜的制备方法进行了优化，过程简单，易于控制，具有产业化生产前景。
附图说明
[0018]图1(a)为所用MXene纳米片扫描电镜图，(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜的制备方法，其特征在于，包括混合基质铸膜液的配制、高速离心涂膜、干燥及热交联步骤，在铸膜液配制阶段让MXene纳米片与交联剂分子发生相互作用，形成交联剂分子修饰的MXene纳米片，并在PVA溶液中均匀分散；在高速离心场的作用下，PVA混合基质铸膜液在疏水支撑体膜上均匀涂覆，并通过改变料液粘度和离心转速控制液膜层厚度，调控MXene纳米片的自组装过程，让MXene纳米片层层堆叠在液膜层的底部；最后将得到的支撑体膜及其表面的PVA液膜一同进行干燥及热交联处理，制备得到MXene纳米片/聚乙烯醇混合基质渗透汽化膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合基质铸膜液的配制步骤为：将水、PVA、MXene纳米片和交联剂混合，经机械搅拌、超声分散、剪切分散制备得到均一的PVA混合基质铸膜液。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，混合基质铸膜液中，PVA的质量分数为1％～10％，优选为3％～5％；MXene纳米片的质量分数为0.1％～1％，优选为0.2％～0.5％；交联剂的质量分数为0.5％～5％，优选为1％～3％；其余的是水。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述PVA的分子量是70000～85000g/mol，醇解度为98％～100％，平均聚合度为1700～1850；所述MXene纳米片为Ti3C2T
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系MXene纳米片层材料；所述交联剂为磺基琥珀酸、丙三醇、三乙醇胺、聚丙烯酸、己内酰胺、丁二醇中的一种。5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，水、PVA、MXene纳米片和交联剂混合后，依次在500rpm下进行机械搅拌2h、在400W的超声中分散4h、在5Kr/m...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐农，刘峤，王青，范茏，孙思昌，董强，夏晓天，丁爱琴，
申请(专利权)人：合肥学院，
类型：发明
国别省市：