一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜及制备方法

技术领域

本发明涉及复合纳滤膜制备领域，具体为一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜及制备方法。

背景技术

目前，水资源危机已成为重要的全球性问题之一。利用膜分离技术实现海水/苦咸水的脱盐以及污水的循环再利用，增加可利用淡水资源及提高其利用效率，对于解决淡水资源危机具有重要意义。

二维(2D)层状纳米片，如氧化石墨烯、MXene和氮化硼纳米片等，具有较高的表面积/厚度比、亚纳米级的层间毛细通道、较高的吸附能力和离子选择性，表现出更高的渗透通量和更好的分离性能。其中，氮化硼纳米片在水中不易被润胀，同时具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性。因此，基于氮化硼纳米片的纳滤膜是具有很大吸引力和很有前景的2D纳米材料。

然而，纯的氮化硼纳米片分离层与基底材料间的粘结性较差，在分离过程中分离层容易被破坏，造成分离效率的降低。目前，提高纳滤膜的分离层与基底材料间粘结性的方式主要是对基底材料进行改性，如多巴胺(PDA)改性、聚乙烯醇(PVA)涂覆等，但这种改性方法得到的纳滤膜不稳定，在分离过程中PDA或PVA容易脱落，不利于分离过程的实现。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜及制备方法，以氮化硼纳米片为基体，在其中引入具有粘结性的聚电解质—聚丙烯酸，两者复合后，以亲水微滤膜作为基底，通过真空辅助抽滤法获得氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，包括如下步骤：

将1～16mg/L的氮化硼纳米片悬浮液和0.25～1g/L的聚丙烯酸溶液混合均匀，氮化硼纳米片悬浮液中氮化硼纳米片和聚丙烯酸溶液中聚丙烯酸的质量比为(0.2～0.8)：(0.06～0.24)，得到混合体系；

采用真空辅助抽滤法，将混合体系在亲水微滤膜上进行抽滤，之后干燥得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

优选的，所述的氮化硼纳米片悬浮液按如下过程得到：

按(0.2～0.8)mg：(50～200)mL的比例，将氮化硼纳米片分散在去离子水中，之后超声3～10min，得到所述的氮化硼纳米片悬浮液。

优选的，所述的聚丙烯酸溶液按如下过程得到：

按(50～100)mg：(100～200)mL的比例，将聚丙烯酸粉末溶解在去离子水中，之后搅拌3～5h，得到所述的聚丙烯酸溶液。

优选的，将所述的聚丙烯酸溶液滴加到50～200mL所述的氮化硼纳米片悬浮液中，搅拌6～18h后得到混合体系。

优选的，所述的亲水微滤膜为亲水聚四氟乙烯微滤膜。

优选的，混合体系在-0.1～-0.05MPa下进行抽滤。

优选的，混合体系抽滤后室温干燥，得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

进一步，所述的室温干燥进行6～18h得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

一种由上述任意一项所述的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，以氮化硼纳米片作为基体，通过引入聚丙烯酸粘结剂，先将一定浓度的氮化硼纳米片悬浮液和聚丙烯酸溶液混合均匀，之后使用真空辅助抽滤法制备得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜，使得氮化硼纳米片与亲水微滤膜基底的粘结性大大提高，增加了复合纳滤膜的使用稳定性；同时，聚丙烯酸的亲水性和阴离子聚电解质特质，可以协同增加复合纳滤膜的水渗透通量以及对染料/水混合体系，如亚甲基蓝/水混合体系中亚甲基蓝的截留率。本发明制备的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的方法中不使用有机溶剂，并且采用价格低廉、来源广泛、绿色环保的聚丙烯酸作为粘结剂，符合环保要求。

附图说明

图1为纯的氮化硼纳米片纳滤膜在20μm下的平面SEM图。

图2为氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜在20μm下的平面SEM图。

图3为纯的氮化硼纳米片纳滤膜和氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的渗透通量和对2ppm亚甲基蓝的截留率。

具体实施方法

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.2～0.8mg，先用50～200mL去离子水分散，之后超声3～10min，得到均匀分散的浓度为1～16mg/L的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)称取50～100mg的聚丙烯酸粉末，将其溶解于100～200mL的去离子水中，置于磁力搅拌器上，搅拌3～5h后得到浓度为0.25～1g/L的聚丙烯酸溶液。

(3)取少量(2)中所制备的聚丙烯酸溶液，使其中聚丙烯酸的质量为0.06～0.24mg，将其逐滴加入(1)中所得的氮化硼纳米片悬浮液，置于磁力搅拌器上，搅拌6～18h后得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液。

(4)将(3)中所得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液倒入抽滤瓶中，以亲水聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.1～-0.05MPa下采用真空辅助抽滤法在PTFE基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合层，经室温干燥6～18h后，最终获得氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

实施例1

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.6mg，先用去200mL去离子水分散，之后超声5min后，得到均匀分散的浓度为3mg/L的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)称取50mg的聚丙烯酸粉末，将其溶解于100mL的去离子水中，置于磁力搅拌器上，搅拌4h后得到浓度为0.5mg/mL的聚丙烯酸溶液。

(3)取少量(2)中所制备的聚丙烯酸溶液，使其中聚丙烯酸的质量为0.18mg，将其逐滴加入(1)中所得的氮化硼纳米片悬浮液，置于磁力搅拌器上，搅拌12h后得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液。

(4)将(3)中所得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液倒入抽滤瓶中，以亲水性的聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.1MPa下采用真空辅助抽滤法在微滤膜基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜，经室温干燥12h后，最终获得如图2所示的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

图1为纯的氮化硼纳米片纳滤膜在20μm下的平面SEM图，氮化硼纳米片纳滤膜制备方法可参考氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.6mg，先用去200mL去离子水分散，之后超声5min后，得到均匀分散的浓度为3mg/L的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)将(1)中所得到的氮化硼纳米片悬浮液倒入抽滤瓶中，以亲水性的聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.1MPa下采用真空辅助抽滤法在微滤膜基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片复合纳滤膜，经室温干燥12h后，最终获得氮化硼纳米片纳滤膜。

从图1可以看到，在未加聚丙烯酸的情况下，氮化硼纳米片间的粘结力较弱，使得制备得到的氮化硼纳米片纳滤膜表面会产生大量的微裂纹。

图2为氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜在20μm下的平面SEM图，从图2可以看到，聚丙烯酸的加入增加了氮化硼纳米片间的粘结，最终导致氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜表面完整，没有微裂纹出现。

图3为纯的氮化硼纳米片纳滤膜和氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的渗透通量和对2ppm亚甲基蓝的截留率。纯的氮化硼纳米片纳滤膜的渗透通量为68LMH/bar，对亚甲基蓝的截留率为85％；而氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的渗透通量为205LMH/bar，对亚甲基蓝的截留率为98％，相比纯的氮化硼纳米片纳滤膜分别提高了201％和15％。

采用垂直过滤装置对不同的纳滤膜进行渗透通量(F)和亚甲基蓝截留率(R)的测试。纳滤膜的工作面积(A，单位为m

渗透通量(F)的计算公式如公式(1)所示：

F＝V/(A×t×P) 公式(1)

截留率(R)的计算公式如公式(2)所示：

R＝(1-C

实施例2

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.2mg，先用去50mL去离子水分散，之后超声3min后，得到均匀分散的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)称取100mg的聚丙烯酸粉末，将其溶解于200mL的去离子水中，置于磁力搅拌器上，搅拌3h后得到聚丙烯酸溶液。

(3)取少量(2)中所制备的聚丙烯酸溶液，使其中聚丙烯酸的质量为0.06mg，将其逐滴加入(1)中所得的氮化硼纳米片悬浮液，置于磁力搅拌器上，搅拌6h后得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液。

(4)将(3)中所得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液倒入抽滤瓶中，以亲水性的聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.05MPa下采用真空辅助抽滤法在微滤膜基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜，经室温干燥6h后，获得氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

实施例3

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.8mg，先用去100mL去离子水分散，之后超声10min后，得到均匀分散的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)称取80mg的聚丙烯酸粉末，将其溶解于150mL的去离子水中，置于磁力搅拌器上，搅拌5h后得到聚丙烯酸溶液。

(3)取少量(2)中所制备的聚丙烯酸溶液，使其中聚丙烯酸的质量为0.24mg，将其逐滴加入(1)中所得的氮化硼纳米片悬浮液，置于磁力搅拌器上，搅拌18h后得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液。

(4)将(3)中所得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液倒入抽滤瓶中，以亲水性的聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.08MPa下采用真空辅助抽滤法在微滤膜基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜，经室温干燥18h后，获得氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

实施例4

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.4mg，先用去50mL去离子水分散，之后超声3min后，得到均匀分散的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)称取60mg的聚丙烯酸粉末，将其溶解于200mL的去离子水中，置于磁力搅拌器上，搅拌3h后得到聚丙烯酸溶液。

(3)取少量(2)中所制备的聚丙烯酸溶液，使其中聚丙烯酸的质量为0.06mg，将其逐滴加入(1)中所得的氮化硼纳米片悬浮液，置于磁力搅拌器上，搅拌6h后得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液。

(4)将(3)中所得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液倒入抽滤瓶中，以亲水性的聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.05MPa下采用真空辅助抽滤法在微滤膜基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜，经室温干燥6h后，获得氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。

实施例5

本发明一种氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)取氮化硼纳米片0.8mg，先用去50mL去离子水分散，之后超声3min后，得到均匀分散的氮化硼纳米片悬浮液，备用。

(2)称取100mg的聚丙烯酸粉末，将其溶解于180mL的去离子水中，置于磁力搅拌器上，搅拌3h后得到聚丙烯酸溶液。

(3)取少量(2)中所制备的聚丙烯酸溶液，使其中聚丙烯酸的质量为0.2mg，将其逐滴加入(1)中所得的氮化硼纳米片悬浮液，置于磁力搅拌器上，搅拌14h后得到氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液。

(4)将(3)中所得到的氮化硼纳米片/聚丙烯酸混合溶液倒入抽滤瓶中，以亲水性的聚四氟乙烯微滤膜为基底，在压力为-0.08MPa下采用真空辅助抽滤法在微滤膜基底上沉积一层湿的氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜，经室温干燥14h后，获得氮化硼纳米片/聚丙烯酸复合纳滤膜。