2個月發(fā)證:一種用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜及其制備方法(華南環(huán)境科學(xué)研究所)
一、發(fā)明專利案件基本信息
技術(shù)領(lǐng)域:海水淡化與功能新材料
專利號:CN202210364831.1
專利名稱:一種用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜及其制備方法
專利申請日:2022-04-08
專利授權(quán)日:2022-06-17
專利申請人:生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所
發(fā)明人:于云江; 李良忠; 劉暢; 馬瑞雪; 陽宸煜; 史國峰; 張蕾; 盧倫
專利代理機(jī)構(gòu):廣州高炬知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
專利代理師:孫明科
二、發(fā)明專利申請文件信息
申請文件:29頁,1.85萬字,附圖9
授權(quán)權(quán)利要求:9,其中獨立權(quán)利要求:2
權(quán)項結(jié)構(gòu):
三、發(fā)明內(nèi)容摘要:
本發(fā)明公開了一種用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜及其制備方法,該納米纖維Janus膜包括相互層疊連接的親水性納米纖維層、疏水性納米纖維層、多個電噴涂PS/PDMS混合溶液形成的噴霧珠粒;親水性納米纖維層與疏水性納米纖維層經(jīng)熱壓,使各纖維層中的納米纖維與噴霧珠粒局部接觸、相互連接,成為內(nèi)部及表面均具有大量氣穴的一體化的納米纖維Janus膜;疏水性納米纖維及該層中各納米纖維之間的噴霧珠粒、納米纖維上的工程珠串結(jié)構(gòu),共同形成薄疏水層,以及朝向所述納米纖維Janus膜外側(cè)表面的多級表面粗糙度。本發(fā)明重點制備形成特定的多層3D網(wǎng)絡(luò)彈性孔隙結(jié)構(gòu)的Janus膜材料,其綜合性能高。
四、發(fā)明摘要附圖:
米纖維Janus膜疏水層的表面形貌和 WCA 值
五、獨立權(quán)利要求1:
1. 一種用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜,其特征在于,其包括相互層疊連接的親水性納米纖維層、疏水性納米纖維層、多個電噴涂PS/PDMS混合溶液形成的噴霧珠粒;
親水性納米纖維層為電紡PAN納米纖維層,該層的下表面即納米纖維Janus膜的內(nèi)側(cè)表面,為具有超親水性和高度多孔結(jié)構(gòu)的超親水表面,該層的上表面通過噴霧珠粒與疏水性納米纖維層連接;
所述的疏水性納米纖維層為電紡PH納米纖維層,其下表面與親水性納米纖維層連接;
所述的噴霧珠粒,為表面帶有大量納米級介孔的空心球狀結(jié)構(gòu);所述電噴涂PS/PDMS混合溶液形成的多個噴霧珠粒,在形成珠粒的過程中分別被PH、PAN納米纖維層中的無定型納米纖維構(gòu)成的 3D 網(wǎng)絡(luò)錨定,非連續(xù)的分布在不同的納米纖維之間,或者連續(xù)的分布同一條納米纖維上,形成工程珠串結(jié)構(gòu);
所述的噴霧珠粒及其形成的工程珠串,隨機(jī)分布在多條無定型PA、PH納米纖維之間,為多條PA、PH納米纖維提供彈性支撐、連接,并使各條PA、PH納米纖維之間及其形成的層間保持間隙,形成各條、各層納米纖維間的彈性支撐、連接與間隔結(jié)構(gòu);
所述的親水性納米纖維層與疏水性納米纖維層經(jīng)熱壓,使各纖維層中的納米纖維與噴霧珠粒局部接觸、相互連接,成為厚度方向內(nèi)部及表面均具有大量氣穴的一體化的納米纖維Janus膜;
其中,疏水性納米纖維及該層中各納米纖維之間的噴霧珠粒、納米纖維上的工程珠串結(jié)構(gòu),共同形成薄疏水層,以及朝向所述納米纖維Janus膜外側(cè)表面的多級表面粗糙度;
所述的PAN為聚丙烯腈,PS為聚苯乙烯,PDMS為聚二甲基硅氧烷,PH為聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯);
該納米纖維Janus膜,在鹽水膜蒸餾MD處理過程中,其厚度方向的內(nèi)外部存在的大量氣穴為傳質(zhì)提供更大的水-氣界面面積,使該納米纖維Janus膜在液膜界面下方捕獲更多的空氣,使空氣的傳熱能力低于聚合物骨架,有效地減少熱損失和溫度極化,增強(qiáng)驅(qū)動力,提高納米纖維Janus膜的水通量。
5.一種權(quán)利要求1-4任意一項所述用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜的制備方法,其特征在于,其包括如下步驟:
S1:制備親水性納米纖維層:在鋁箔表面粘連靜電紡絲PAN溶液,得到眾多無定型 PAN 納米纖維,該PAN納米纖維的平均直徑為 266 nm ,層疊后得到親水性納米纖維層,該親水性纖維層的表面具有超親水性和高度多孔結(jié)構(gòu);
S2:制備噴霧珠粒及工程珠串:
向親水性納米纖維層的上表面電噴涂PS/PDMS混合溶液,在親水性納米纖維層的上表面上形成多個空心球狀的PS/PDMS噴霧珠粒及工程珠串;
S3:制備薄疏水層:在親水性納米纖維層上表面上,進(jìn)行靜電紡絲PH溶液,制備得到單層電紡PH納米纖維;伴隨著靜電紡絲PH溶液的進(jìn)行,同步對該單層電紡PH納米纖維進(jìn)行電噴涂 PS/PDMS 混合溶液,在該單層電紡PH納米纖維上形成多個PS/PDMS噴霧珠粒及工程珠串;多次重復(fù)靜電紡絲PH溶液和同步電噴涂 PS/PDMS 混合溶液,形成具備多層結(jié)構(gòu)、外表面上具有多級粗糙度的薄疏水層,其中隨機(jī)分布的噴霧珠粒對各電紡PH納米纖維之間及各層PH納米纖維之間,進(jìn)行彈性支撐、連接和間隔;
S4:整體熱壓:將親水性納米纖維層、噴霧珠粒及工程珠串、薄疏水層進(jìn)行整體熱壓,使各纖維層中及層間的納米纖維與噴霧珠粒,局部相互接觸、熔融,穩(wěn)定連接,成為一體化的納米纖維Janus膜。
六、發(fā)明人團(tuán)隊簡介
本發(fā)明由生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所副所長、研究員、博士生導(dǎo)師于云江博士科研團(tuán)隊研發(fā)完成。生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所成立于1973年,是中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部直屬的從事綜合性環(huán)境科學(xué)研究的公益性科研機(jī)構(gòu),位于廣東省廣州市。該研究所作為綜合性環(huán)境科研機(jī)構(gòu),大力支撐環(huán)保部中心工作,面向全國開展前瞻性環(huán)境問題研究,水、土、氣、環(huán)境健康、環(huán)境應(yīng)急和環(huán)境信息技術(shù)等研究領(lǐng)域。研究所以熱帶亞熱帶區(qū)域環(huán)境問題,沿海開發(fā)區(qū)和港澳臺等發(fā)達(dá)地區(qū)環(huán)境問題,河口、感潮河網(wǎng)、海洋等復(fù)雜水環(huán)境模擬,區(qū)域、流域可持續(xù)發(fā)展,污染控制技術(shù)體系等為主要研究方向。
七、本發(fā)明主要的有益效果:
1.本發(fā)明提供的用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜,通過引入PDMS改性,同步進(jìn)行混合靜電紡絲和噴涂形成表面及內(nèi)部由無定型納米纖維、噴霧珠粒及工程珠串結(jié)構(gòu),相互穩(wěn)定連接的多層彈性3D網(wǎng)絡(luò)孔隙結(jié)構(gòu),在薄疏水層上構(gòu)建出獨特的多級粗糙度,在鹽水MD等過程中,增強(qiáng)膜材料的整體穩(wěn)定性、表面疏水性,得到更好的耐用性和抗污染能力,并提高水通量和脫鹽效率,是一種高產(chǎn)量、高穩(wěn)定性以及多功能化的Janus膜材料。
本發(fā)明提供的納米纖維Janus膜與現(xiàn)有技術(shù)的其他膜材料相比,該使用PDMS改性后的Janus膜,在薄疏水層的表面及內(nèi)部均形成了隨機(jī)分布的大量表面帶有介孔的空心噴霧珠粒及工程珠串結(jié)構(gòu),使得該薄疏水層的外表面粗糙度增加,薄疏水層的最大平均表面粗糙度(Ra)為812nm,最大接觸角(WCA)值為147.2°,遠(yuǎn)高于其他膜材料。
2.本發(fā)明提供的用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜,通過同步進(jìn)行混合靜電紡絲和噴涂而形成多層3D納米纖維網(wǎng)絡(luò),廣泛分布在各納米纖維上及各層間的噴霧珠粒(噴霧珠粒)具有空心、彈性結(jié)構(gòu),其作為各納米纖維之間及層間的間隔物、支撐物、連接物,潛在地擴(kuò)大各相鄰 PH 納米纖維之間的距離,降低疏水層的堆積密度,增加孔隙率(在材料內(nèi)部及表面上形成大量氣穴),增加薄疏水層的彈性和厚度,并提高各納米纖維及層間的連接強(qiáng)度;納米纖維Janus膜具備的更高孔隙率、表面粗糙度和堅固連接結(jié)構(gòu)的薄疏水膜,使該膜材料在MD過程中可以在液膜界面下方捕獲更多空氣,大量氣穴的存在不僅可以為傳質(zhì)提供更大的水-氣界面面積,而且由于空氣的傳熱能力低于聚合物骨架,因此可以有效地減少熱損失和溫度極化,使驅(qū)動力的增強(qiáng),可極大的加強(qiáng)Janus膜的水通量,能夠達(dá)到27.7 L/m2h。
3. 本發(fā)明提供的用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜,通過噴霧珠粒對各納米纖維及層間的協(xié)調(diào)作用,提高了材料的總體彈性和連接穩(wěn)定性,因此大幅提升了該膜材料的循環(huán)使用性能,大大延長了材料的使用壽命。經(jīng)過實際測試,本發(fā)明的Janus膜在連續(xù)使用20小時后,膜材料沒有明顯的污垢沉積在膜表面或孔堵塞,該Janus膜WCA值僅減小了4.2°,污染物與膜表面之間的表面斥力增強(qiáng)、并始終保持在較高的水平上,與其他膜材料相比,本發(fā)明獨特的內(nèi)外部3D結(jié)構(gòu),以及薄疏水膜外表面存在向外凸起的PDMS噴霧珠粒(及工程珠串)相結(jié)合,可以有效減輕膜有機(jī)污染,耐堿性,使材料在較長時間的使用過程中,保持穩(wěn)定的水通量和脫鹽率。
八、本案專利代理師經(jīng)驗分享:
水資源匱乏以及水污染問題是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要阻礙之一。因而,開發(fā)一種高效、便捷的水處理技術(shù)一直是一個熱門的研究課題。膜分離技術(shù)因其低污染、低能耗等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于水的凈化以及海水淡化等領(lǐng)域中。
隨著界面太陽能蒸汽發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,太陽能直接脫鹽技術(shù)因其成本低、環(huán)境友好的優(yōu)勢被認(rèn)為是一種很有潛力的技術(shù)。膜蒸餾 (MD) 作為一種熱驅(qū)動的膜工藝被認(rèn)為是傳統(tǒng)脫鹽技術(shù)(如多級閃蒸)的可行且經(jīng)濟(jì)的替代方案,因為它易于操作且可利用低品位熱量(例如,廢熱和太陽能),與反滲透等壓力驅(qū)動的膜脫鹽技術(shù)相比,MD 工藝具有更低的能耗和膜污染傾向。然而,由于缺乏具有優(yōu)異蒸汽滲透性、較高的脫鹽率、高熱穩(wěn)定性和良好抗污染能力的高效膜,仍然是MD工藝在海水淡化中廣泛實際應(yīng)用的主要障礙。
雖然,Janus膜在許多領(lǐng)域,特別是在海水淡化、飲用水處理和廢水處理中表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。然而,現(xiàn)有的Janus膜及其制備方法仍然存在一些不足,且對Janus膜的制備方法工藝復(fù)雜,工藝參數(shù)控制要求高,難以實現(xiàn)工業(yè)化。
針對這一情況,本發(fā)明人團(tuán)隊采用新的思路,研發(fā)了一種用于鹽水膜蒸餾處理的納米纖維Janus膜、制備方法及應(yīng)用,通過引入PDMS改性,同步進(jìn)行混合靜電紡絲和噴涂形成表面及內(nèi)部由無定型納米纖維、噴霧珠粒及工程珠串結(jié)構(gòu),相互穩(wěn)定連接的多層彈性3D網(wǎng)絡(luò)孔隙結(jié)構(gòu),在薄疏水層上構(gòu)建出獨特的多級粗糙度,增強(qiáng)膜材料的整體穩(wěn)定性、表面疏水性,得到更好的耐用性和抗污染能力;充分利用該納米纖維Janus膜的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和內(nèi)外部孔隙、多級粗糙度表面等優(yōu)勢,以提高材料的耐用性、耐堿性、抗污染能力,并提高水通量和脫鹽效率。
本專利涉及多個學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域,包括海水淡化、納米功能材料、膜分離技術(shù)、制造工藝及微觀結(jié)構(gòu)原理等,對專利代理師的跨領(lǐng)域的專業(yè)能力、綜合水平,對新材料、化工技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)驗要求較高。我公司派出專利代理師孫明科與研發(fā)團(tuán)隊對接,反復(fù)多次與研發(fā)團(tuán)隊深入交流,共同分析技術(shù)問題和發(fā)明要點,在深度檢索和多次撰寫修改的基礎(chǔ)上,完成了本項發(fā)明專利的申請文件。本案專利代理師通過與于所長研發(fā)團(tuán)隊成員密切溝通,認(rèn)真聽取發(fā)明人的構(gòu)思和技術(shù)方案,并且進(jìn)行了深入的技術(shù)檢索、對比和技術(shù)挖掘,準(zhǔn)確定位技術(shù)問題和核心發(fā)明點,從而得到了本發(fā)明呈現(xiàn)的較為完善的技術(shù)方案,并且順利獲得授權(quán)。申請權(quán)利要求與授權(quán)權(quán)利要求幾乎沒有改動。
本專利是專利代理師與發(fā)明人團(tuán)隊深入交流、科學(xué)布局、密切合作完成的跨領(lǐng)域高質(zhì)量專利申請案件,雙方多次、反復(fù)討論、修改了多稿才最終定稿,發(fā)明人科研團(tuán)隊及代理師對本發(fā)明均付出了辛苦的勞動。
本發(fā)明專利作為新材料領(lǐng)域的高質(zhì)量的發(fā)明專利,與申請人布局的其他發(fā)明專利相互配合,對納米材料、制備方法等進(jìn)行了合理分層、遞進(jìn)式的保護(hù),采用快速的申請和審查答復(fù),大幅縮短了審查時間。本發(fā)明專利快速獲得授權(quán)后,有利于該申請人對該專利技術(shù)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化、實施,盡早投入使用,產(chǎn)生更好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。