一种纳滤膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种纳滤膜，依次包括多孔基底

【技术实现步骤摘要】
一种纳滤膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于分离膜及其制法与应用，具体为一种纳滤膜及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]随着世界人口的快速增长及工业化
、
城市化进程的加快，水资源短缺成为一个全球性挑战，这也推动了节能水处理技术的发展
。
通过处理海水
、
微咸水和城市污水等含盐或受损的非常规水来生产淡水，是解决水资源短缺的主要方案之一
。
膜技术因低能耗和环境友好性，已发展为淡水生产的典范
。
纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜技术，由于分离效率高
、
操作条件适中及广泛适用性等优点，有望成为传统水处理的替代技术
。
[0003]目前，商业化纳滤膜主要依靠界面聚合来制备，由大孔基底和聚酰胺表层组成
。
在典型的界面聚合过程中，溶解在两种不混相中的两反应性单体在界面处反应，生成聚酰胺表层
。
但由于快速
、
不可逆和复杂的聚合，以及依赖于单体的扩散速率，精确控制这一过程十分困难，使得纳滤膜面临渗透性和选择性间的权衡限制
。
因此，在保证选择性的同时提升纳滤膜的水渗透性仍是一个技术挑战
。
[0004]通过在多孔基底和聚酰胺层之间建立纳米多孔夹层，有望加速水的传输，从而打破渗透
‑
选择权衡限制
。
同时，中间层还可以通过增强中间层与聚酰胺表层和基底之间的附着力，改善聚酰胺表层的力学性能，从而提高纳滤膜的结构稳定性
。
近年来，多种多功能纳米材料被用作中间层，如沸石
、
氧化石墨烯
、
碳纳米管
、
共价有机框架和金属有机骨架
(MOFs)。
其中，
MOFs
因具有高孔隙率
、
孔径可调
、
与聚合物良好相容性等特点，在构建高性能纳滤膜方面显示出巨大潜力
。
中国专利技术专利
CN115463557A
和
CN114768547B
均公开了一种以
3D MOFs
作为中间层制备纳滤膜的方法，但都存在易导致制备的纳滤膜选择层厚度增加和
MOFs
聚集的问题，从而降低纳滤膜的盐截留性能和稳定性
。2D MOFs
纳米片可有效解决这些弊端，因其超薄厚度和丰富的基团可显著降低水分子的传质阻力，并有效增强聚酰胺表层与中间层的相容性
。Liu
等
(J.Membr.Sci.2022,653(5):120520)
以镍基
2D MOFs
作为中间层材料，通过
2D MOFs
纳米片上丰富的基团提升膜的水渗透性能，但大尺寸的
2D MOFs
纳米片在真空沉积过程中易于褶皱，增加中间层厚度和水分子传质阻力，不利于增强水渗透性
。
[0005]总的来说，现有的纳滤膜“trade
‑
off”上限仍需要克服，盐截留性能和水渗透性有待进一步提高
。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种机械支撑性能好
、
厚度较小
、
水分子传输阻力较小的纳滤膜，本专利技术的另一目的是提供一种完整无缺陷
、
简单方便的纳滤膜的制备方法，本专利技术的再一目的是提供一种纳滤膜在硫酸钠
、
硫酸钙
、
硫酸镁
、
氯化钠
、
氯化钙
、
氯化镁中同时提升水渗透性与盐截留性能的应用
。
[0007]技术方案：本专利技术所述的一种纳滤膜，依次包括多孔基底
、
复合中间层和聚酰胺表层，复合中间层由一维无机
(1D)
材料和二维
MOFs(2D MOFs)
纳米片均匀复合而成
。
[0008]进一步地，一维无机材料为碳纳米管
、
硼氮化物纳米线
、
氧化锆纳米线
、
硫化钼纳米线
、
磷化镓纳米线
、
氧化钛纳米线中的一种或多种
。
[0009]进一步地，多孔基底为聚醚砜膜
、
聚砜膜
、
聚偏氟乙烯膜
、
聚丙烯腈膜中的一种或多种
。
[0010]本专利技术所述的一种纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一，将乙醇和
N,N
‑
二甲基甲酰胺混合，再加入一维无机材料，分散获得混合溶液
A
；
[0012]步骤二，将金属前驱体
、
有机配体及聚乙烯吡咯烷酮加入混合溶液
A
中，通过水热反应获得在一维无机材料上受限生长的二维
MOFs
纳米片，即复合中间层；
[0013]步骤三，将复合中间层沉积至多孔基底上，获得复合基底；
[0014]步骤四，将复合基底浸没在哌嗪水溶液中，静置并干燥，再将其浸没在溶解于正己烷的均苯三甲酰氯溶液中，进行界面聚合反应，最后加热固化，获得纳滤膜
。
[0015]进一步地，步骤一中，乙醇和
N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为
1:1
～
1:5
，一维无机材料与乙醇
、N,N
‑
二甲基甲酰胺总体积的质量体积比为5～
15:64。
[0016]进一步地，步骤二中，金属前驱体为三水合硝酸铜
、
六水合硝酸锌
、
六水合硝酸镍或六水合硝酸钴
。
有机配体为
5,10,15,20
‑
四
(4
‑
羧基苯基
)
卟啉
、
四
(2
羧苯基
)
卟啉
、5,10,15,20
‑
四
(4
‑
羧基甲氧苯基
)
‑
卟啉或内消旋四
(3,5
二羧苯基
)
卟啉
。
水热反应的温度为
75
～
80℃。
[0017]进一步地，步骤四中，哌嗪水溶液的质量百分数为
0.025
～
0.5wt
％，正己烷的均苯三甲酰氯溶液的质量百分数为
0.02
～
0.4wt
％
。
浸润时间为
0.5
～
15min
；界面聚合时间为
0.5
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种纳滤膜，其特征在于：依次包括多孔基底
、
复合中间层和聚酰胺表层，所述复合中间层由一维无机材料和二维
MOFs
纳米片均匀复合而成
。2.
根据权利要求1所述的一种纳滤膜，其特征在于：所述一维无机材料为碳纳米管
、
硼氮化物纳米线
、
氧化锆纳米线
、
硫化钼纳米线
、
磷化镓纳米线
、
氧化钛纳米线中的一种或多种
。3.
根据权利要求1所述的一种纳滤膜，其特征在于：所述多孔基底为聚醚砜膜
、
聚砜膜
、
聚偏氟乙烯膜
、
聚丙烯腈膜中的一种或多种
。4.
一种纳滤膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将乙醇和
N,N
‑
二甲基甲酰胺混合，再加入一维无机材料，分散获得混合溶液
A
；步骤二，将金属前驱体
、
有机配体及聚乙烯吡咯烷酮加入混合溶液
A
中，通过水热反应获得在一维无机材料上受限生长的二维
MOFs
纳米片，即复合中间层；步骤三，将复合中间层沉积至多孔基底上，获得复合基底；步骤四，将复合基底浸没在哌嗪水溶液中，静置并干燥，再将其浸没在溶解于正己烷的均苯三甲酰氯溶液中，进行界面聚合反应，最后加热固化，获得纳滤膜
。5.
根据权利要求4所述的一种纳滤膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，乙醇和
N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为
1:1
～
1:5
，一维无机材料与乙醇
、N,N
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福强，华国燕，徐晓明，产慧芳，陈宇轩，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：