一种MXene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜的制备方法

本发明属于膜蒸馏，尤其涉及一种mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜的制备方法。

背景技术：

1、膜蒸馏(md)采用疏水微孔膜作为分离介质，以膜两侧温差产生的蒸汽压差作为传质推动力。理想的md过程要求高的跨膜温度梯度以实现高的蒸汽渗透通量。然而，由于连续的水-蒸汽转变导致水侧的热量损失，很难保持恒定的温度梯度。温差极化现象会造成传质推动力下降，降低md过程的能量利用效率，使运行能耗增加。此外，温差极化的大小通常会随着md模块长度的增加而显著增加，从而限制了md的放大。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，将其高效引入到膜蒸馏过程，研制光热增强型复合膜蒸馏膜，可利用太阳能辅助膜界面自加热，使膜面温度更加均一，从而降低或消除温差极化现象，实现高通量，降低能耗。

2、光热膜蒸馏(pmd)系统的核心部分是pmd膜。研究者们多采用在疏水膜上涂覆或在膜基体中掺杂光热材料，制备pmd膜。除了需要满足md工艺的膜特性之外，pmd膜的光热转换效率也至关重要。光热效率与光热转换材料的特性密切相关。碳化钛(ti3c2tx，tx为-f、-o和-oh)，一种新兴的2d mxene材料，具有优异的基于局域表面等离子体共振效应(lspr)的光热转化特性和二维层间传质通道，在太阳能驱动的淡水生产中具有极大的优势。mxene是制备pmd膜的理想材料，但mxene复合光热膜的研究尚处于起步阶段，存在光热转化效率低、淡水产率低，以及易污染、稳定性差等问题。

3、因此，亟需开发基于mxene的高通量、抗污染、耐久型复合光热md膜，保障在高盐废水处理、海水淡化过程中的长期稳定性。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜的制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜，将掺杂mxene纳米片的聚乙烯醇(pva)/单宁酸(ta)水凝胶涂覆到一面经亲水改性的疏水膜表面，并经铁离子交联，即可得到mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜；所述mxene纳米片为具有光热特性的mxene纳米片。

4、优选的，所述单宁酸和聚乙烯醇的质量比为(0.5-2)∶1，所述mxene纳米片的添加量为0.025-0.075wt％。

5、优选的，所述疏水膜为本征疏水的聚合物微孔膜，可选为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯微滤膜；所述mxene纳米片为ti3c2txmxene纳米片。

6、优选的，所述涂覆的涂层厚度为2-5μm。

7、优选的，所述亲水改性的方法包括聚多巴胺/聚乙烯亚胺粘附、等离子体处理或氢氧化钠溶液活化。

8、优选的，所述铁离子为含有铁离子的溶液，选自氯化铁溶液或硫酸铁溶液，浓度为0.05-0.5mol/l，离子交联时间为5-30min。

9、本发明还提供一种所述mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜的制备方法，包括以下步骤：

10、将聚乙烯醇、单宁酸、mxene纳米片添加到乙醇和水的混合溶液中，90℃下搅拌均匀，得到水凝胶前驱体溶液；将所述水凝胶前驱体溶液喷涂在一面经亲水改性的疏水膜表面，并将所得样品浸泡到含铁离子的溶液中进行交联，重复喷涂和交联的步骤，最终得到mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜。

11、优选的，所述水凝胶前驱体溶液中聚乙烯醇的质量百分比为2-8％；所述乙醇和水的体积比为1∶1；所述搅拌时间为5-10h；所述重复次数为0-2次。

12、本发明还提供一种所述mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜在光热膜蒸馏中的应用。应用时，将mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜功能层一侧与进料液接触，光照强度为1kwm-2。所述进料液为含盐溶液、掺入矿物油和表面活性剂的含盐溶液或过滤掉固体悬浮物的实际海水。

13、本发明的水凝胶前驱体溶液pva/ta/mxene喷涂在一面经亲水改性的疏水微孔膜表面后，乙醇和水挥发导致氢键网络重构，形成水凝胶层。并且亲水改性后的聚合物微孔膜与水凝胶涂层之间的相容性和结合力增强。进一步离子交联后，ta-fe3+络合网络形成，不仅能增强水凝胶涂层的强度，而且ta-fe3+具有光热特性，能与光热mxene协同提高水凝胶复合膜的光热转化能力。从而保障在一个模拟太阳光照射下膜的高渗透通量。水凝胶涂层优异的亲水性和复合水凝胶涂层后膜的液体进入压力升高，使得p/t/m-fe水凝胶涂层复合膜能够有效处理含表面活性剂及油滴的高盐溶液。此外，该膜在长期海水淡化过程中能够保障稳健的性能和高离子去除率，保障高产水品质。

14、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

15、(1)由于水凝胶功能层中光热ti3c2txmxene纳米片与ta-fe3+配位网络的协同作用，p/t/m-fe-ptfe膜具有优异的界面自加热性能，具有高渗透通量和太阳能利用率。

16、(2)得益于水凝胶层的强水合作用和复合膜高液体进入压力，p/t/m-fe水凝胶涂层复合膜能够有效抵抗由表面活性剂类物质引发的膜润湿和由油类物质引发的膜污染，显著延长复合膜处理复杂高盐废水时的寿命。

17、(3)p/t/m-fe水凝胶涂层复合膜在实际光热海水淡化过程中，展现出优异的耐久性和高离子截留率(如硼脱除率高达99.19％)，本发明制备的pmd膜在生产符合标准的饮用水方面具有巨大潜力。

18、(4)水凝胶功能层中聚乙烯醇、单宁酸、亲水性mxene纳米片之间多重氢键相互作用以及单宁酸与铁离子交联，有利于增强水凝胶层的强度，保障复合膜长期稳定运行。

19、(5)本发明采用简单易行的“喷涂-离子交联”策略获得复合光热膜，与其他方法相比，无需后续化学交联和高温处理过程，更加绿色环保，方法可放大，原料成本低，适宜工业化生产。

技术特征：

1.一种mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜，其特征在于，将掺杂mxene纳米片的聚乙烯醇/单宁酸水凝胶涂覆到一面经亲水改性的疏水膜表面，并经铁离子交联，即可得到mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜；所述mxene纳米片为具有光热特性的mxene纳米片。

2.根据权利要求1所述的mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜，其特征在于，所述单宁酸和聚乙烯醇的质量比为(0.5-2)∶1，所述mxene纳米片的添加量为0.025-0.075wt％。

3.根据权利要求1所述的mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜，其特征在于，所述疏水膜为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯微滤膜；所述mxene纳米片为ti3c2txmxene纳米片。

4.根据权利要求1所述的mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜，其特征在于，所述涂覆的涂层厚度为2-5μm。

5.根据权利要求1所述的mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜，其特征在于，所述铁离子的浓度为0.05-0.5mol/l，交联时间为5-30min。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水凝胶前驱体溶液中聚乙烯醇的质量百分比为2-8％；所述乙醇和水的体积比为1∶1；所述重复次数为0-2次。

8.一种如权利要求1-5任一项所述的mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜在光热膜蒸馏中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，应用时，将mxene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜功能层一侧与进料液接触，光照强度为1kw m-2。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述进料液为含盐溶液、掺入矿物油和表面活性剂的含盐溶液或过滤掉固体悬浮物的实际海水。

技术总结
本发明公开了一种MXene基水凝胶复合光热膜蒸馏膜的制备方法，属于膜蒸馏技术领域。具体来说，该方法通过将掺杂MXene纳米片的聚乙烯醇/单宁酸水凝胶涂覆到一面经亲水改性的疏水膜表面，并经Fe<supgt;3+</supgt;交联，得到水凝胶复合光热膜。具有光热特性的MXene纳米片和TA‑Fe<supgt;3+</supgt;络合网络，能够协同增强复合膜的光热转化性能。本发明改性得到的水凝胶复合光热膜具有高淡水产率和抗污染性能，在长时间海水淡化过程中展现出优异的耐久性和离子脱除率。本发明原料来源广，制备工艺可放大，有利于规模化生产和在膜蒸馏领域的市场推广应用。

技术研发人员：王志宁,张娜,张娇娇,朱小会,徐浩然
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15