一种MXene掺杂光热蒸馏膜及其制备方法和应用

本发明属于分离膜，具体涉及一种mxene掺杂光热蒸馏膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、膜蒸馏技术通过加热进水同时冷却产水使疏水微孔膜两侧产生蒸汽压差，推动废水中水分子以气态形式穿过微孔膜而在另一侧冷凝回收。与反渗透等压力驱动的膜分离过程相比，膜蒸馏可以常压操作，对废水的适应性强，出水质量高，而且可利用工业余热等低品位热源驱动膜分离过程，在高盐有机废水的资源化回用和工业废水的近零排放方面表现出良好的应用潜力。

2、然而由于膜蒸馏过程需要水分子在膜表面发生气液相转变，会产生明显的温度极化现象，导致膜蒸馏热效率较低而产水通量不高。光热蒸馏膜的研发应用有助于克服温度极化，提高膜蒸馏热效率，目前常用具有疏水特性的贵金属、碳纳米管、石墨烯等光热材料负载在膜表面形成光热层，但这些疏水光热材料在膜表面的沉积可能增加传质阻力，导致通量降低，而且蒸馏膜的光热转换效率相对较低，通过引入更高效的光热材料有望显著提升蒸馏膜的光热转换效率。

3、另一方面，高盐有机废水中污染物浓度高且成分复杂，导致膜蒸馏过程产生严重的膜污染，使膜蒸馏通量衰减较快，而传统光热材料也可能吸附废水中污染物而加重膜污染或引发膜润湿，导致膜蒸馏在处理废水时通量和污染物截留效率下降，膜蒸馏热效率、高通量、抗污染性难以同时实现，因此在膜表面局部加热条件下提升蒸馏膜的抗污染性对光热膜蒸馏发展具有重要的意义。需要开发新型的光热膜材料，实现光热转换效率、渗透通量和抗污染性能的同步提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有膜蒸馏技术中温度极化明显，通量不高，容易污染和润湿的缺陷和不足，提供一种用于光热膜蒸馏的高通量抗污染光热复合膜。本发明所述光热复合膜基于mxene优异的光热转换效率和抗污染性，将mxene与氧化石墨烯、聚合多巴胺、壳聚糖等亲水材料复合后沉积在疏水微孔膜表面形成光热复合层，使复合膜具有表层亲水-底层疏水的双层结构，光热转换效率较高，在处理含盐有机废水时具有较高的污染物截留效率和稳定的渗透通量，可以实现光热膜蒸馏热效率、抗污染性能、渗透通量等指标的同步提高，在膜蒸馏处理废水及海水淡化方面具有广阔的应用前景。

2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种mxene掺杂光热蒸馏膜，mxene掺杂的亲水表层结合在疏水底层的双层结构，所述mxene掺杂的亲水表层为mxene与亲水聚合物的复合光热材料，所述疏水底层为疏水基底膜。

4、进一步，所述亲水聚合物为聚多巴胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、氧化石墨烯、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素及上述物质的共聚物或组合物。

5、mxene是一种二维过渡金属碳化物或氮化物，其通式为mn+1xn，其中m表示过渡金属(如sc、ti、zr、hf、v、nb、ta、cr和mo)，x为碳或氮元素，n为正整数。

6、mxene可通过氟化物或碱蚀刻金属碳/氮化物的层状前驱体制得。

7、一种所述mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1，mxene掺杂复合光热材料的制备：将mxene和亲水聚合物溶解在去离子水中超声分散，然后加入多巴胺盐酸盐在室温下搅拌，再加入tris-hcl缓冲溶液，将混合溶液置于水浴中搅拌反应，反应完后冷却至室温，经离心、洗涤、真空干燥得到mxene掺杂复合光热材料固体粉末；

9、步骤2，疏水基底膜的处理：先用异丙醇浸泡疏水基底膜，然后用去离子水浸泡后静置晾干，再将异丙醇和去离子水浸泡过的疏水基底膜浸泡于多巴胺的tris-hcl缓冲溶液中，室温下搅拌反应，然后用去离子水洗涤数次，晾干备用；

10、步骤3，mxene掺杂光热蒸馏膜的制备：将步骤1得到的mxene掺杂复合光热材料固体粉末溶解于去离子水中超声分散，然后结合在步骤2处理过的疏水基底膜表面，然后用去离子水洗涤膜表面，再浸入无水乙醇中去除多余的mxene掺杂复合光热材料，即得到mxene掺杂光热蒸馏膜。

11、进一步，所述步骤1中mxene和亲水聚合物的质量比为1～200:10，所述亲水聚合物为聚多巴胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、氧化石墨烯、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素及上述物质的共聚物或组合物，所述多巴胺盐酸盐与mxene/亲水聚合物混合物的质量比为1:1～5。

12、进一步，所述步骤1中超声分散的时间为0.5～2h；室温下搅拌的时间为05～2h；水浴的温度为50～80℃；水浴中搅拌反应的时间为1～2h，搅拌速度为400～900rpm；离心的时间为10～20min，转速为3000～5000rpm；洗涤3次以上。

13、进一步，所述步骤1和步骤2中tris-hcl缓冲溶液浓度为50mmol/l，ph＝8.5，所述步骤2中多巴胺的tris-hcl缓冲溶液的浓度为0.2～2g/l。

14、进一步，所述步骤2中疏水基底膜为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的一种。

15、进一步，所述步骤2中异丙醇浸泡的时间为1～2h，去离子水浸泡的时间为6～14h，搅拌反应的时间为1～24h，洗涤3次以上。

16、进一步，所述步骤3中mxene掺杂复合光热材料在处理过的疏水基底膜表面的负载量为0.1～5mg/cm2，结合在步骤2处理过的疏水基底膜表面的方法为喷涂、刮膜、真空抽滤、浸涂或静电纺丝中的一种。

17、进一步，所述步骤3中超声处理的时间为1～6h。

18、一种所述mxene掺杂光热蒸馏膜的应用，应用于膜蒸馏处理含有无机盐和/或有机物的废水。

19、与现有技术相比本发明具有以下优点：

20、本发明将mxene与氧化石墨烯(go)、聚多巴胺(pda)、壳聚糖(cts)等亲水材料掺杂制备光热复合膜，发挥复合材料的协同优势，制备的光热复合膜稳定性好，光热效率高，对大部分无机盐和有机物均有较高的截留效率；利用mxene、go和pda等材料优异的光热转换特性和亲水性，制备的亲水-疏水复合光热膜可实现膜蒸馏热效率、抗污染性、渗透通量的同步提升；同时，本发明的光热蒸馏膜制备工艺简单，条件温和，拓宽了光热蒸馏膜的应用。

技术特征：

1.一种mxene掺杂光热蒸馏膜，其特征在于，所述光热蒸馏膜为mxene掺杂的亲水表层结合在疏水底层的双层结构，所述mxene掺杂的亲水表层为mxene与亲水聚合物的复合光热材料，所述疏水底层为疏水基底膜。

2.根据权利要求1所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜，其特征在于，所述亲水聚合物为聚多巴胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、氧化石墨烯、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素及上述物质的共聚物或组合物。

3.一种权利要求1或2所述mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中mxene和亲水聚合物的质量比为1～200:10，所述亲水聚合物为聚多巴胺、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯亚胺、氧化石墨烯、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素及上述物质的共聚物或组合物，所述多巴胺盐酸盐与mxene/亲水聚合物混合物的质量比为1:1～5。

5.根据权利要求3所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中超声分散的时间为0.5～2h；所述室温下搅拌的时间为0.5～2h；所述水浴的温度为50～80℃；所述水浴中搅拌反应的时间为1～24h，搅拌速度为400～900rpm；所述离心的时间为10～20min，转速为3000～5000rpm；所述洗涤3次以上。

6.根据权利要求3所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2中tris-hcl缓冲溶液浓度为50mmol/l，ph＝8.5，所述步骤2中多巴胺的tris-hcl缓冲溶液的浓度为0.2～2g/l。

7.根据权利要求3所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中疏水基底膜为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的一种。

8.根据权利要求3所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中异丙醇浸泡的时间为1～2h，去离子水浸泡的时间为6～14h，搅拌反应的时间为1～24h，洗涤3次以上。

9.根据权利要求3所述的一种mxene掺杂光热蒸馏膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中超声分散的时间为1～6h，mxene掺杂复合光热材料在处理过的疏水基底膜表面的负载量为0.1～5mg/cm2，结合在步骤2处理过的疏水基底膜表面的方法为喷涂、刮膜、真空抽滤、浸涂或静电纺丝中的一种。

10.一种权利要求1或2所述mxene掺杂光热蒸馏膜的应用，其特征在于，应用于膜蒸馏处理含有无机盐和/或有机物的废水。

技术总结
本发明属于分离膜技术领域，具体涉及一种MXene掺杂光热蒸馏膜及其制备方法和应用。针对现有膜蒸馏技术中温度极化明显，通量不高，容易污染和润湿的缺陷和不足，本发明基于MXene优异的光热转换效率与抗污染性，将MXene与氧化石墨烯、聚合多巴胺、壳聚糖等亲水材料复合后沉积在疏水微孔膜表面形成光热复合层，使复合膜具有表层亲水‑底层疏水的双层结构，光热转换效率较高，在处理含盐有机废水时具有较高的污染物截留效率和稳定的渗透通量，可以实现光热膜蒸馏热效率、抗污染性能、渗透通量等指标的同步提高，在膜蒸馏处理废水及海水淡化方面具有广阔的应用前景。

技术研发人员：任静,吉忠佳,李剑锋,郭淑娟,赵华章
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15