一种海水淡化微纳米膜材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种海水淡化微纳米膜材料、其制备方法及应用。所述海水淡化微纳米膜材料包括支撑层以及设置于支撑层上的碳基‑纳米粒子杂化薄膜层。所述制备方法包括：将碳基材料分散液转移至第二液相体系的液面上，之后进行毛细挤压，形成碳基材料薄膜层；再将碳基材料薄膜层转移至纳米粒子溶液体系中，并进行蒸发沉积，使多个纳米粒子沉积在碳基材料薄膜层上，形成碳基‑纳米粒子杂化薄膜层，之后采用毛细力辅助界面转移方法将其转移至支撑层表面，获得海水淡化微纳米膜材料。本发明专利技术的海水淡化膜材料具有高淡化率、高截留率、抑菌等优点，同时制备工艺简单，不需要昂贵和复杂的实验设备，且不会对周围环境造成不利影响，能满足工业化生产需求。

A micro nano membrane material for seawater desalination, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种海水淡化微纳米膜材料、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淡化微纳米膜材料及其制备方法与应用，属于膜材料技术和海水淡化领域。
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，其的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，其依旧存在膜结垢、脱硼效率低(海水中硼的浓度为4-7mg/L，其具有再生性毒性)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5-10μm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。与本技术相比，制备方法有明显差异，从效果而言并未提及到硼元素的处理。另外，在纳滤膜的制备过程中采用大量的有机溶剂，在解决海水淡化问题的同时带来了水的二次污染，增加处理成本。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。与本技术相比，制备方法有明显差异，另外，其成分复杂，制备过程繁琐，并且使用的有机溶剂依旧会产生二次水体污染的问题，这制约着海水淡化膜材料的发展。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(NatureNanotechnology，2018，13，489–495)。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淡化微纳米膜材料，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淡化微纳米膜材料的制备方法。本专利技术的还有一目的在于提供所述海水淡化微纳米膜材料的应用。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淡化微纳米膜材料，所述海水淡化微纳米膜材料具有分层结构，所述分层结构包括支撑层以及设置于所述支撑层上的碳基-纳米粒子杂化薄膜层，所述碳基-纳米粒子杂化薄膜层包括碳基材料薄膜层以及与所述碳基材料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淡化微纳米膜材料的制备方法，其包括：将碳基材料分散于第一液相体系中形成碳基材料分散液；将所述碳基材料分散液转移至第二液相体系的液面上，之后进行毛细挤压，形成碳基材料薄膜层；将所述碳基材料薄膜层转移至纳米粒子溶液体系中，并进行蒸发沉积，使多个纳米粒子沉积在所述碳基材料薄膜层上，形成碳基-纳米粒子杂化薄膜层；以及，采用自上而下的毛细力辅助界面转移方法将所述碳基-纳米粒子杂化薄膜层转移至支撑层表面，从而获得所述海水淡化微纳米膜材料。本专利技术实施例还提供了前述海水淡化微纳米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淡化微纳米膜材料通过调控碳基材料的种类及相对含量可以实现碳基薄膜材料的形貌、厚度和孔径等尺寸精确可控；2)本专利技术提供的海水淡化微纳米膜材料具有较强的耐候性，在高温、高盐、强碱溶剂体系中浸泡24小时后，仍可循环使用50次及以上；3)本专利技术提供的海水淡化微纳米膜材料在不同的光强下都具有较高的蒸发速率(2.5-5.5kg/m2/h)；4)本专利技术提供的海水淡化微纳米膜材料对含有不同离子(Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、B3+)不同浓度(10-10000mg/L)的海水溶液均具有99.9％以上的截留率,均达到WHO饮用水标准(103mg/L)；5)本专利技术提供的海水淡化微纳米膜材料的抑菌性能达95％以上；6)本专利技术提供的海水淡化微纳米膜材料的制备方法对环境因素要求低，工艺简单，价格低廉，无需昂贵和复杂的制备仪器、高温作用和催化剂，耗时少，并且，在制备过程中不会产生大量的废二次污染，不会对周围环境造成不利影响，减少后处理成本，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淡化微纳米膜材料的分层结构示意图。图2a和图2b是本专利技术实施例1所获海水淡化微纳米膜材料的照片。图3是本专利技术实施例1所获海水淡化微纳米膜材料的扫描电镜界面图。图4a和图4b是本专利技术实施例1所获海水淡化微纳米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5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。具体实施方式鉴于现有技术中存在的问题，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淡化微纳米膜材料，如图1所示，所述海水淡化微纳米膜材料具有分层结构，所述分层结构包括支撑层以及设置于所述支撑层上的碳基-纳米粒子杂化薄膜层，所述碳基-纳米粒子杂化薄膜层包括碳基材料薄膜层以及与所述碳基材料薄膜层复合的纳米粒子。所述海水淡化微纳米膜材料具有尺寸、厚度可控的微纳米结构，利于水汽的运输与传递。具体的，此处的微纳米结构是指：(1)微米结构：例如支撑层的厚度、碳基材料薄膜层(氧化石墨烯的片层尺寸、碳纳米管的长度等均可以是微米级的)；(2)纳米结构：例如支撑层的孔径、纳米粒子的尺寸、碳基材料薄膜层所含孔洞的孔径等均可以是纳米级的。在一些实施例中，所述支撑层包括纸支撑层、泡沫支撑层等具有隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海水淡化微纳米膜材料，其特征在于，所述海水淡化微纳米膜材料具有分层结构，所述分层结构包括支撑层以及设置于所述支撑层上的碳基-纳米粒子杂化薄膜层，所述碳基-纳米粒子杂化薄膜层包括碳基材料薄膜层以及与所述碳基材料薄膜层复合的纳米粒子。/n

【技术特征摘要】
1.一种海水淡化微纳米膜材料，其特征在于，所述海水淡化微纳米膜材料具有分层结构，所述分层结构包括支撑层以及设置于所述支撑层上的碳基-纳米粒子杂化薄膜层，所述碳基-纳米粒子杂化薄膜层包括碳基材料薄膜层以及与所述碳基材料薄膜层复合的纳米粒子。


2.根据权利要求1所述的海水淡化微纳米膜材料，其特征在于：所述支撑层包括纸支撑层和/或泡沫支撑层。


3.根据权利要求2所述的海水淡化微纳米膜材料，其特征在于：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，所述泡沫支撑层的材质包括聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、酚醛泡沫或聚氨酯泡沫，优选为聚氨酯泡沫；和/或，所述纸支撑层的平滑度为20～60s；和/或，所述纸支撑层的水分含量为2～8wt％；
和/或，所述纸支撑层的截面形状包括锯齿形、平纹形、菱形、阶梯形或螺纹形；
和/或，所述支撑层的面积为0.2～16.0m2，厚度为1μm～2cm；
和/或，所述支撑层所含孔洞的孔径为100nm～2μm。


4.根据权利要求1所述的海水淡化微纳米膜材料，其特征在于：所述碳基材料薄膜层的材质包括碳基材料，所述碳基材料包括碳纳米管和/或氧化石墨烯；
优选的，所述碳纳米管包括氨基化碳纳米管、羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管中的任意一种或两者以上的组合；尤其优选的，所述氨基化碳纳米管中氨基的含量为1～2wt％；尤其优选的，所述羧基化碳纳米管中羧基的含量为1～1.5wt％；尤其优选的，所述羟基化碳纳米管中羟基的含量为0.5～1.5wt％；
优选的，所述氧化石墨烯包括羧基化氧化石墨烯和/或羟基化氧化石墨烯；尤其优选的，所述羧基化氧化石墨烯中羧基的含量为1～2.5wt％；尤其优选的，所述羟基化氧化石墨烯中羟基的含量为1.5～2.5wt％；
优选的，所述碳纳米管与氧化石墨烯的质量比为1：4～4：1；
优选的，所述碳纳米管的长度为100nm～1μm；
优选的，所述氧化石墨烯的片层尺寸为300nm～3μm；
和/或，所述碳基材料薄膜层的厚度为1～10μm，优选为2～4μm，精确度为5～20nm，孔径为10～50nm，优选为20～30nm，精确度为2～10nm。


5.根据权利要求1所述的海水淡化微纳米膜材料，其特征在于：所述纳米粒子包括二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氧化锌或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10～200nm；
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，肖鹏，谷金翠，张佳玮，梁云，
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