一种基于仿生技术构建毛细力诱导的超低压分离膜及其制备方法与应用

本发明属于分离膜，具体涉及一种基于仿生技术构建毛细力诱导的超低压分离膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、先进的膜技术是解决资源匮乏、能源短缺、环境污染和人类健康问题，促进循环经济和绿色产业发展的最有效手段之一。与传统的分离技术相比膜分离技术具有无相变、无二次污染、分离效率高和占地面积小等优点，因而被广泛应用于工业及生活当中。膜分离过程中分离膜是一层特殊制造的、具有选择性透过性能的薄膜，在外力推动下可对混合物进行分离、提纯和浓缩，是分离技术中物质分离的关键材料。压力差是传统分离膜实现对进料溶液进行分离的驱动力，在高压力驱动下的渗透过程中，进料溶液的浓差极化是不可避免的。同时，为了实现更精细的分离，所制备的膜的孔径越来越小，溶质截留率的提高伴随着渗透通量的降低和驱动压力的提高，这就是膜工业中的“trade-off”效应。因此，在膜中引入驱动力，实现低压或无压下的高效分离以节约能源，缓解“trade-off”效应是很有必要的，也是革命性的创新。许多研究人员致力于解决膜分离过程中的“trade-off”效应，在保证分离效率的同时，实现高效的分离。

2、专利文献cn114570219 a公开了一种高通量耐污染分离膜，该分离膜是将离子液体上的阴阳离子同步接枝于膜表面，使膜表面整体呈现电中性得到高通量耐污染分离膜，在1.6mpa操作压力下，改性膜的纯水通量达到225.1l·m-2·h-1，同时对牛血清蛋白截留率为98.5％。

3、专利文献cn104275059a公开了一种高通量复合纳滤膜，该复合纳滤膜是通过在多孔聚合物支撑层上利用真空抽滤的方式将羧化碳纳米管与部分还原的氧化石墨烯复合组装成全碳选择分离层，从而实现对染料的分离。该纳滤膜对染料的截留率可达99％以上，膜纯水通量为80l·m-2·h-1·bar-1。

4、文献“基于植物多酚和亲水聚合物交联构筑聚合物网络改性的超亲水pvdf膜用于油水分离”中公开了采用单宁酸(ta，天然植物多酚)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(aptes)共沉积作用在pvdf微滤膜表面构建具有微纳粗糙结构的基底层，合成含多酚的亲水聚合物与基底层通过氢键、π-π、迈克尔加成等反应交联构筑超亲水聚合物网络结构，得到的改性分离膜，所得的改性分离膜的水下油滴接触角均大于140°，对多种油水混合液及表活剂稳定的水包油乳液的分离效率均超过99.9％。

5、虽然上述文献中公开的分离膜能够实现有效分离，并且表现出较高通量和良好的耐污染性，但是在精细分离过程中仍然存在着驱动压力过高，导致分离过程中浓差极化现象严重以及膜结构坍塌问题、造成能耗增加，膜使用寿命缩短。因此，如何在膜中引入毛细力，保证分离效率的同时，实现低压力驱动或无压力驱是解决“trade-off”效应，减少能耗，延长膜使用寿命可行方法。

技术实现思路

1、针对上述的不足，本发明的第一目的是提供一种基于仿生技术构建毛细力诱导的超低压分离膜；

2、本发明的第二目的是提供一种基于仿生技术构建毛细力诱导的超低压分离膜的制备方法；

3、本发明的第三目的是提供一种基于仿生技术构建毛细力诱导的超低压分离膜在染料脱盐、抗污中的应用。

4、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

5、一种基于仿生技术构建毛细力诱导的超低压分离膜，所述超低压分离膜包括有位于超低压分离膜上层且较致密的分离层、位于分离层下方且呈指状孔结构的支撑层以及位于指状孔结构中且具有毛细效应的微纳结构，所述微纳结构是指状孔结构中生成的大量亲水纳米颗粒，大量的亲水纳米颗粒之间相互形成的毛细孔道为超低压分离膜提供毛细力，所述超低压分离膜的厚度为50-400μm。

6、进一步地，所述制备方法具体步骤如下：

7、1)凝固浴的制备：先将单宁酸溶解在含有三羟甲基氨基甲烷的hcl缓冲液中，再将溶解有3-氨丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液与其混合，反应1h-8h后，得到凝固浴；

8、2)铸膜液的制备：将干燥的基膜材料、peg、licl和nmp依次加入到三口烧瓶中，在65℃～80℃的条件下，机械搅拌6h-12h，得到均一的铸膜液，静置脱泡后使用刮膜棒将均一的铸膜液刮制在玻璃板上，然后将刮制有铸膜液的玻璃板浸泡在凝固浴中，通过nips相转化法制备得到改性膜；

9、3)改性膜的交联：nips相转化完全后，刮制有铸膜液的玻璃板继续浸泡于凝固浴中12h后再用fe2(so4)3进行交联，得到超低压分离膜。

10、进一步地，步骤1)中所述单宁酸的浓度为0.5g/l-2g/l，3-氨丙基三乙氧基硅烷的浓度为0.5g/l-2g/l；

11、步骤2)中所述基膜材料为聚偏氟乙烯pvdf、聚醚砜pes、聚砜psf、聚酰亚胺pei中的一种或几种，peg的分子量为600-10000；

12、步骤3)中所述fe2(so4)3的浓度为0.5g/l-10g/l。

13、进一步地，步骤1)中所述单宁酸的浓度为1g/l，3-氨丙基三乙氧基硅烷的浓度为1g/l；

14、步骤3)中所述fe2(so4)3的浓度为2g/l。

15、进一步地，所述的超低压分离膜在染料脱盐处理、抗污性研究中的应用。

16、采用以上方案，本发明具有如下优点：

17、1、本发明首次提出通过在膜中构建毛细力来驱动膜进行精细分离，受自然界中毛细现象的启发，通过一定的制膜工艺和化学反应，成功在膜中构建了毛细力，毛细力诱导膜在超低压条件下实现高效率的精细分离，在能源节约，膜抗污染、高效分离方面展现其优势。

18、2、本发明中利用单宁酸(ta)与3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)在tris-hcl缓冲液与乙醇的混合溶液中进行一定时间的反应，将反应后的溶液作为凝固浴，将刮制在玻璃板上的铸膜液浸于凝固浴中12h，相转化过程中分离膜成膜的同时ta与aptes反应生成的亲水纳米颗粒(hnps)会固定在膜孔及膜表面，再利用fe3+对膜进行进一步交联，提高了膜的稳定性。膜孔中大量hnps类似砂砾堆积结构形成了众多毛细孔道，分离过程中水滴在毛细力诱导下快速渗透膜，从而实现低压或无压下对染料/盐的精细分离。

19、3、本发明中在超低压分离条件下(0.02mpa)，超低压分离膜仍然保持对染料/盐(cr/nacl)混合溶液高达134l·m-2·h-1的高通量，在一定程度上缓减“trade-off”效应，由于分离压力极低，减弱了膜分离过程中的浓差极化现象，膜展现出优异的抗污染性能。

20、4、本发明所制备的超低压分离膜与现有的专利文献报道的分离膜相比，在染料/盐混合物分离方面展现出显著的优势，具有超低压驱动、高通量和高截留的优势。

21、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。