一种高水通量、高抗污环保水处理膜制造技术

本发明专利技术属于水处理膜技术领域，特别涉及一种3层复合的生物质基凝胶水处理膜材料，膜主要由生物质材料构成，依次包括底层的高强度凝胶底膜、中间层的亲水性处理膜、表层的疏水性处理膜，3层膜之间的亲水性依次下降。该复合膜通过三相体系依次制备、工艺简单。膜具有环保、高水通量、高抗污的特性，且对于有机染料有非常好的吸收效率。

A Water Treatment Membrane with High Water Flux and Pollution Resistance

【技术实现步骤摘要】
一种高水通量、高抗污环保水处理膜
本专利技术属于水处理膜
，特别涉及一种环保的，具有优良力学性能、高水通量、高抗污性且对有机染料吸收有优良效果的的生物质基凝胶水处理膜材料。
技术介绍
膜法处理废水是一项新技术。长期以来，水处理膜根据膜的孔分为微滤、超滤、纳滤、反渗透、主动运输、电渗析等。可制备水处理膜的物质有纤维素及其衍生品、聚偏二氟乙烯、聚砜、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺等，这些材料大多都是疏水性的，膜的疏水表面缺少分离过程所需的官能团。最近研究中兴起的一种以生物质为水处理膜的技术，生物质材料来源广泛，和很多污染物具有较强的相互作用力，且自身环保、可降解无污染，但生物质作为膜材料强度低，亲水性强容易在遇水后性能快速降低。所以，将生物质交联制备得到凝胶材料，将固化膜的性能保证其使用过程中的稳定性。但新的问题仍然存在，首先，生物质凝胶膜水因其亲水性导致水通量往往较低，处理能力有限，且抗污性较差；其次，生物质膜的官能团仍需要丰富，膜与不同污染物的结合能力也需提高。再次，生物质膜往往具有不佳的机械性能，容易导致膜在应用时破裂。本专利技术针对以上提出的问题，开发了一种具有良好性能的生物质复合水处理膜材料。
技术实现思路
本专利技术致力于克服生物质基凝胶水处理膜机械性能差、水通量低、抗污性差、对污染物吸收效果差的问题，提供一种生物质复合水处理膜。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种高水通量、高抗污环保水处理膜，由3层生物质基凝胶膜构成，依次包括底层的高强度凝胶底膜、中间的亲水性处理膜层和表层的疏水性处理膜层。进一步，所述水处理膜通过多相体系制备，依次的，在底层的高强度凝胶底膜上加入上层油相，亲水性处理膜在高强度凝胶底膜和上层油相的界面之间聚合而成，疏水性处理膜在亲水性处理膜和上层油相的界面之间聚合而成，三层膜通过聚合过程粘合为一体。进一步，所述高强度凝胶基底层为以海藻酸钠为基体，以八臂氨盐笼状倍半硅氧烷为交联剂，以尿素为致孔剂制备而得，其中，八臂氨盐笼状倍半硅氧烷的用量为海藻酸钠质量的5-20%之间，尿素的用量为海藻酸钠质量的8-16%之间。进一步，高强度凝胶基底层厚度介于1-4mm之间，其具有多孔结构，孔径介于100-500微米之间。进一步，所述八臂氨盐笼状倍半硅氧烷(Oa-POSS)为POSS的改性产物。此POSS单体因为有大量氨盐基的存在，使得单体具有良好的水溶性。其结构式如下：其中，Oa-POSS角落的八个氨盐基容易解离，形成正离子，在和海藻酸钠混合后起到和钙离子一样交联剂的作用，通过离子交换可连接海藻酸钠，从而形成凝胶。同时，POSS粒子的主体笼状Si-O结构存在疏水性，其在凝胶中聚集形成纳米-微米级别的微孔，微孔的存在有利于水通量的提高。POSS的存在起到了应力分散点的作用，也有效的提高了膜的强度。进一步，所述亲水性处理膜为以羧甲基壳聚糖、醋酸纤维素、八臂聚乙二醇基笼状倍半硅氧烷、聚己二醇、羟基化石墨烯、戊二醛为主要原料，在水相中合成制备而得；其中，醋酸纤维素的质量为羧甲基壳聚糖质量的12-24%，八臂聚乙二醇基笼状倍半硅氧烷的质量为羧甲基壳聚糖质量的2.4-4.2%，聚己二醇为羧甲基壳聚糖质量的2.4-4.2%，羟基化石墨烯的质量为羧甲基壳聚糖质量的0.84-1.24%，戊二醛的质量为羧甲基壳聚糖质量的3.2-6.3%。进一步，所述亲水性处理膜的厚度介于400-800微米之间，孔径介于100-500微米之间，膜横截面的孔面积介于膜面积的30-60%之间。进一步，所述醋酸纤维素为二醋酸纤维素或三醋酸纤维素。进一步，所述羟基化石墨烯可采用市售产品，也可采用CN201710091837.5公开的专利方法进行制备，羟基化石墨烯可与聚乙二醇结合促进分散，同时石墨烯的引入可提高膜对于污染物的截留。进一步，所述戊二醛可与羧甲基壳聚糖的N基团反应从而实现交联。进一步，所述八臂聚乙二醇笼状倍半硅氧烷粒子（POSS-PEG）为POSS的改性产物。此POSS单体因为有大量聚乙二醇（PEG）的存在，使得单体具有良好的水溶性。其结构式如下：同时，由于端基PEG的存在，有利于其与配方中的聚乙二醇的结合，有利于均匀致孔。POSS粒子由于其疏水性存在，同样有利于膜中的致孔效果，且POSS作为应力分散点，有利于膜力学性能的提升。进一步，所述聚己二醇的分子量介于500-3000之间。进一步，所述疏水性处理膜为以甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖、八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷、四甲氧基硅烷、引发剂偶氮二异丁腈为主要原料，以丙酮-四氢呋喃复合溶液为溶剂合成制备而得；其中，八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷的质量为甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖质量的5.5-10.5%，四甲氧基硅烷的质量为甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖质量的32-50%，引发剂偶氮二异丁腈的质量为甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖质量的1-3%。进一步，所述丙酮-四氢呋喃复合溶液中丙酮和四氢呋喃的比例为7：3。进一步，所述疏水性处理膜的厚度介于500-1000微米之间，孔径介于200-600微米之间，膜横截面的孔面积介于膜面积的25-50%之间。进一步，所述甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖具有双键结构，可实现在油溶性引发剂下以八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷为交联剂的交联。进一步，所述四甲氧基硅烷在膜中存在，但在取出前不反应，在膜从油相中采用后采用具有一定酸性的水溶液浸泡可水解形成二氧化硅骨架结构，从而大幅提高膜强度，同时有利于制孔。进一步，所述八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷（Ov-POSS）为POSS的改性产物。此POSS单体在角落中有8个乙烯基的存在可发生交联反应，其分子式如下：进一步，POSS粒子由于其疏水性存在，同样有利于膜中的致孔效果，且POSS作为应力分散点，有利于膜力学性能的提升。进一步，所述复合膜的制备方式如下：（1）在一定浓度海藻酸钠水溶液中加入八臂氨盐笼状倍半硅氧烷水溶液，快速搅拌均匀后得到预反应溶液，于20℃下放置1小时后置入-40℃环境下静置12-24小时，后取出于20℃下放置6小时后得到高强度凝胶基底层产物，预反应溶液中海藻酸钠的质量浓度介于4-8%之间；（2）在容器中置入高强度凝胶基底层，在其上加入油类作为上层油相，油相的厚度大于20cm；（3）将溶有羧甲基壳聚糖、醋酸纤维素、八臂聚乙二醇基笼状倍半硅氧烷、聚己二醇、羟基化石墨烯、戊二醛的水溶液滴入油相中，在凝胶块表层形成铺展膜，平衡后静置6-12h形成亲水性处理膜；其中，羧甲基壳聚糖在水溶液中的质量分数介于5-10%之间；（4）将溶有甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖、八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷、四甲氧基硅烷、偶氮二异丁腈的丙酮-四氢呋喃混合溶剂滴入油相中，接触亲水处理膜并并在亲水处理膜上实现铺展，混合溶剂中丙酮和四氢呋喃的质量比为7:3；甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖在溶液中的质量分数介于8-16%之间；（5）将制备的三层复合膜取出并放置于pH=4-5的酸性水溶液中浸泡3小时，取出后于-60℃下速冷2小时，后抽真空得到冻干膜，将冻干膜于20℃纯水中浸泡6h后于50℃下干燥6h，循环此20℃浸泡-50℃干燥过程3次后得到最终产品。进一步，所述油相为低极性的硅油、植物油、矿物油中的一种，油的粘度介于100-1000cSt之间。进一步，所述疏水性处理膜仅亲水性较差，呈现一定的疏水特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高水通量、高抗污环保水处理膜，由3层生物质基凝胶膜构成，依次包括底层的高强度凝胶底膜、中间的亲水性处理膜层和表层的疏水性处理膜层；其特征在于：所述水处理膜通过多相体系制备，依次的，在底层的高强度凝胶底膜上加入上层油相，亲水性处理膜在高强度凝胶底膜和上层油相的界面之间聚合而成，疏水性处理膜在亲水性处理膜和上层油相的界面之间聚合而成，三层膜通过聚合过程粘合为一体。

【技术特征摘要】
1.一种高水通量、高抗污环保水处理膜，由3层生物质基凝胶膜构成，依次包括底层的高强度凝胶底膜、中间的亲水性处理膜层和表层的疏水性处理膜层；其特征在于：所述水处理膜通过多相体系制备，依次的，在底层的高强度凝胶底膜上加入上层油相，亲水性处理膜在高强度凝胶底膜和上层油相的界面之间聚合而成，疏水性处理膜在亲水性处理膜和上层油相的界面之间聚合而成，三层膜通过聚合过程粘合为一体。2.如权利要求1所述一种高水通量、高抗污环保水处理膜，其特征在于：所述高强度凝胶基底层为以海藻酸钠为基体，以八臂氨盐笼状倍半硅氧烷为交联剂，以尿素为致孔剂制备而得，其中，八臂氨盐笼状倍半硅氧烷的用量为海藻酸钠质量的5-20%之间，尿素的用量为海藻酸钠质量的8-16%之间；其特征还在于：高强度凝胶基底层厚度介于1-4mm之间，其具有多孔结构，孔径介于100-500微米之间。3.如权利要求1所述一种高水通量、高抗污环保水处理膜，其特征在于：所述亲水性处理膜为以羧甲基壳聚糖、醋酸纤维素、八臂聚乙二醇基笼状倍半硅氧烷、聚己二醇、羟基化石墨烯、戊二醛为原料，在水相中合成制备而得；其中，醋酸纤维素的质量为羧甲基壳聚糖质量的12-24%，八臂聚乙二醇基笼状倍半硅氧烷的质量为羧甲基壳聚糖质量的2.4-4.2%，聚己二醇为羧甲基壳聚糖质量的2.4-4.2%，羟基化石墨烯的质量为羧甲基壳聚糖质量的0.84-1.24%，戊二醛的质量为羧甲基壳聚糖质量的3.2-6.3%；其特征还在于：所述亲水性处理膜的厚度介于400-800微米之间，孔径介于100-500微米之间，膜横截面的孔面积介于膜面积的30-60%之间。4.如权利要求1所述一种高水通量、高抗污环保水处理膜，其特征在于：所述疏水性处理膜为以甲基丙烯酸酯接枝壳聚糖、八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷、四甲氧基硅烷、引发剂偶氮二异丁腈为主要原料，以丙酮-四氢呋喃复合溶液为溶剂合成制备而得；其中，八臂乙烯基笼状倍半硅氧烷的质量为甲基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43