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高质量发明专利、快速授权,成功案例系列之十一

2022-10-19来源:国内专利代理部

2个月发证:一种用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus及其制备方法(华南环境科学研究所)

 

一、发明专利案件基本信息

技术领域:海水淡化与功能新材料

专利号CN202210364831.1 

专利名称:一种用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜及其制备方法

专利申请日:2022-04-08

专利授权日:2022-06-17

专利申请人:生态环境部华南环境科学研究所

发明人:于云江; 李良忠; 刘畅; 马瑞雪; 阳宸煜; 史国峰; 张蕾; 卢伦

专利代理机构:广州高炬知识产权代理有限公司

专利代理师:孙明科

二、发明专利申请文件信息

申请文件:29页,1.85万字,附图9

授权权利要求:9,其中独立权利要求:2

权项结构:

三、发明内容摘要:

 

本发明公开了一种用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜及其制备方法,该纳米纤维Janus膜包括相互层叠连接的亲水性纳米纤维层、疏水性纳米纤维层、多个电喷涂PS/PDMS混合溶液形成的喷雾珠粒;亲水性纳米纤维层与疏水性纳米纤维层经热压,使各纤维层中的纳米纤维与喷雾珠粒局部接触、相互连接,成为内部及表面均具有大量气穴的一体化的纳米纤维Janus膜;疏水性纳米纤维及该层中各纳米纤维之间的喷雾珠粒、纳米纤维上的工程珠串结构,共同形成薄疏水层,以及朝向所述纳米纤维Janus膜外侧表面的多级表面粗糙度。本发明重点制备形成特定的多层3D网络弹性孔隙结构的Janus膜材料,其综合性能高。

 

发明摘要附图

米纤维Janus疏水层的表面形貌和 WCA

 

五、独立权利要求1

 

1. 一种用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜,其特征在于,其包括相互层叠连接的亲水性纳米纤维层、疏水性纳米纤维层、多个电喷涂PS/PDMS混合溶液形成的喷雾珠粒;

亲水性纳米纤维层为电纺PAN纳米纤维层,该层的下表面即纳米纤维Janus膜的内侧表面,为具有超亲水性和高度多孔结构的超亲水表面,该层的上表面通过喷雾珠粒与疏水性纳米纤维层连接;

所述的疏水性纳米纤维层为电纺PH纳米纤维层,其下表面与亲水性纳米纤维层连接;

所述的喷雾珠粒,为表面带有大量纳米级介孔的空心球状结构;所述电喷涂PS/PDMS混合溶液形成的多个喷雾珠粒,在形成珠粒的过程中分别被PHPAN纳米纤维层中的无定型纳米纤维构成的 3D 网络锚定,非连续的分布在不同的纳米纤维之间,或者连续的分布同一条纳米纤维上,形成工程珠串结构;

所述的喷雾珠粒及其形成的工程珠串,随机分布在多条无定型PAPH纳米纤维之间,为多条PAPH纳米纤维提供弹性支撑、连接,并使各条PAPH纳米纤维之间及其形成的层间保持间隙,形成各条、各层纳米纤维间的弹性支撑、连接与间隔结构;

所述的亲水性纳米纤维层与疏水性纳米纤维层经热压,使各纤维层中的纳米纤维与喷雾珠粒局部接触、相互连接,成为厚度方向内部及表面均具有大量气穴的一体化的纳米纤维Janus膜;

其中,疏水性纳米纤维及该层中各纳米纤维之间的喷雾珠粒、纳米纤维上的工程珠串结构,共同形成薄疏水层,以及朝向所述纳米纤维Janus膜外侧表面的多级表面粗糙度;

所述的PAN为聚丙烯腈,PS为聚苯乙烯,PDMS为聚二甲基硅氧烷,PH为聚(偏二氟乙烯--六氟丙烯);

该纳米纤维Janus膜,在盐水膜蒸馏MD处理过程中,其厚度方向的内外部存在的大量气穴为传质提供更大的水-气界面面积,使该纳米纤维Janus膜在液膜界面下方捕获更多的空气,使空气的传热能力低于聚合物骨架,有效地减少热损失和温度极化,增强驱动力,提高纳米纤维Janus膜的水通量。

5一种权利要求1-4任意一项所述用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜的制备方法,其特征在于,其包括如下步骤:

S1:制备亲水性纳米纤维层:在铝箔表面粘连静电纺丝PAN溶液,得到众多无定型 PAN 纳米纤维,该PAN纳米纤维的平均直径为 266 nm ,层叠后得到亲水性纳米纤维层,该亲水性纤维层的表面具有超亲水性和高度多孔结构;

S2:制备喷雾珠粒及工程珠串:

向亲水性纳米纤维层的上表面电喷涂PS/PDMS混合溶液,在亲水性纳米纤维层的上表面上形成多个空心球状的PS/PDMS喷雾珠粒及工程珠串;

S3:制备薄疏水层:在亲水性纳米纤维层上表面上,进行静电纺丝PH溶液,制备得到单层电纺PH纳米纤维;伴随着静电纺丝PH溶液的进行,同步对该单层电纺PH纳米纤维进行电喷涂 PS/PDMS 混合溶液,在该单层电纺PH纳米纤维上形成多个PS/PDMS喷雾珠粒及工程珠串;多次重复静电纺丝PH溶液和同步电喷涂 PS/PDMS 混合溶液,形成具备多层结构、外表面上具有多级粗糙度的薄疏水层,其中随机分布的喷雾珠粒对各电纺PH纳米纤维之间及各层PH纳米纤维之间,进行弹性支撑、连接和间隔;

S4:整体热压:将亲水性纳米纤维层、喷雾珠粒及工程珠串、薄疏水层进行整体热压,使各纤维层中及层间的纳米纤维与喷雾珠粒,局部相互接触、熔融,稳定连接,成为一体化的纳米纤维Janus膜。

 

六、发明人团队简介

本发明由生态环境部华南环境科学研究所副所长、研究员、博士生导师于云江博士科研团队研发完成。生态环境部华南环境科学研究所成立于1973年,是中华人民共和国生态环境部直属的从事综合性环境科学研究的公益性科研机构,位于广东省广州市。该研究所作为综合性环境科研机构,大力支撑环保部中心工作,面向全国开展前瞻性环境问题研究,水、土、气、环境健康、环境应急和环境信息技术等研究领域。研究所以热带亚热带区域环境问题,沿海开发区和港澳台等发达地区环境问题,河口、感潮河网、海洋等复杂水环境模拟,区域、流域可持续发展,污染控制技术体系等为主要研究方向。

 

七、本发明主要的有益效果:

1.本发明提供的用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜,通过引入PDMS改性,同步进行混合静电纺丝和喷涂形成表面及内部由无定型纳米纤维、喷雾珠粒及工程珠串结构,相互稳定连接的多层弹性3D网络孔隙结构,在薄疏水层上构建出独特的多级粗糙度,在盐水MD等过程中,增强膜材料的整体稳定性、表面疏水性,得到更好的耐用性和抗污染能力,并提高水通量和脱盐效率,是一种高产量、高稳定性以及多功能化的Janus膜材料。

本发明提供的纳米纤维Janus膜与现有技术的其他膜材料相比,该使用PDMS改性后的Janus膜,在薄疏水层的表面及内部均形成了随机分布的大量表面带有介孔的空心喷雾珠粒及工程珠串结构,使得该薄疏水层的外表面粗糙度增加,薄疏水层的最大平均表面粗糙度(Ra)812nm,最大接触角(WCA)值为147.2°,远高于其他膜材料。

2.本发明提供的用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜,通过同步进行混合静电纺丝和喷涂而形成多层3D纳米纤维网络,广泛分布在各纳米纤维上及各层间的喷雾珠粒(喷雾珠粒)具有空心、弹性结构,其作为各纳米纤维之间及层间的间隔物、支撑物、连接物,潜在地扩大各相邻 PH 纳米纤维之间的距离,降低疏水层的堆积密度,增加孔隙率(在材料内部及表面上形成大量气穴),增加薄疏水层的弹性和厚度,并提高各纳米纤维及层间的连接强度;纳米纤维Janus膜具备的更高孔隙率、表面粗糙度和坚固连接结构的薄疏水膜,使该膜材料在MD过程中可以在液膜界面下方捕获更多空气,大量气穴的存在不仅可以为传质提供更大的水-气界面面积,而且由于空气的传热能力低于聚合物骨架,因此可以有效地减少热损失和温度极化,使驱动力的增强,可极大的加强Janus膜的水通量,能够达到27.7 L/m2h

3. 本发明提供的用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜,通过喷雾珠粒对各纳米纤维及层间的协调作用,提高了材料的总体弹性和连接稳定性,因此大幅提升了该膜材料的循环使用性能,大大延长了材料的使用寿命。经过实际测试,本发明的Janus膜在连续使用20小时后,膜材料没有明显的污垢沉积在膜表面或孔堵塞,该JanusWCA值仅减小了4.2°,污染物与膜表面之间的表面斥力增强、并始终保持在较高的水平上,与其他膜材料相比,本发明独特的内外部3D结构,以及薄疏水膜外表面存在向外凸起的PDMS喷雾珠粒(及工程珠串)相结合,可以有效减轻膜有机污染,耐碱性,使材料在较长时间的使用过程中,保持稳定的水通量和脱盐率。

 

八、本案专利代理师经验分享:

   

水资源匮乏以及水污染问题是人类社会可持续发展的重要阻碍之一。因而,开发一种高效、便捷的水处理技术一直是一个热门的研究课题。膜分离技术因其低污染、低能耗等优势被广泛应用于水的净化以及海水淡化等领域中。

随着界面太阳能蒸汽发电技术的发展,太阳能直接脱盐技术因其成本低、环境友好的优势被认为是一种很有潜力的技术。膜蒸馏 (MD) 作为一种热驱动的膜工艺被认为是传统脱盐技术(如多级闪蒸)的可行且经济的替代方案,因为它易于操作且可利用低品位热量(例如,废热和太阳能),与反渗透等压力驱动的膜脱盐技术相比,MD 工艺具有更低的能耗和膜污染倾向。然而,由于缺乏具有优异蒸汽渗透性、较高的脱盐率、高热稳定性和良好抗污染能力的高效膜,仍然是MD工艺在海水淡化中广泛实际应用的主要障碍。

虽然,Janus膜在许多领域,特别是在海水淡化、饮用水处理和废水处理中表现出很好的应用前景。然而,现有的Janus膜及其制备方法仍然存在一些不足,且对Janus膜的制备方法工艺复杂,工艺参数控制要求高,难以实现工业化。

针对这一情况,本发明人团队采用新的思路,研发了一种用于盐水膜蒸馏处理的纳米纤维Janus膜、制备方法及应用,通过引入PDMS改性,同步进行混合静电纺丝和喷涂形成表面及内部由无定型纳米纤维、喷雾珠粒及工程珠串结构,相互稳定连接的多层弹性3D网络孔隙结构,在薄疏水层上构建出独特的多级粗糙度,增强膜材料的整体稳定性、表面疏水性,得到更好的耐用性和抗污染能力;充分利用该纳米纤维Janus膜的3D网络结构和内外部孔隙、多级粗糙度表面等优势,以提高材料的耐用性、耐碱性、抗污染能力,并提高水通量和脱盐效率。

本专利涉及多个学科和技术领域,包括海水淡化、纳米功能材料、膜分离技术、制造工艺及微观结构原理等,对专利代理师的跨领域的专业能力、综合水平,对新材料、化工技术领域的经验要求较高。我公司派出专利代理师孙明科与研发团队对接,反复多次与研发团队深入交流,共同分析技术问题和发明要点,在深度检索和多次撰写修改的基础上,完成了本项发明专利的申请文件。本案专利代理师通过与于所长研发团队成员密切沟通,认真听取发明人的构思和技术方案,并且进行了深入的技术检索、对比和技术挖掘,准确定位技术问题和核心发明点,从而得到了本发明呈现的较为完善的技术方案,并且顺利获得授权。申请权利要求与授权权利要求几乎没有改动。

   本专利是专利代理师与发明人团队深入交流、科学布局、密切合作完成的跨领域高质量专利申请案件,双方多次、反复讨论、修改了多稿才最终定稿,发明人科研团队及代理师对本发明均付出了辛苦的劳动。

本发明专利作为新材料领域的高质量的发明专利,与申请人布局的其他发明专利相互配合,对纳米材料、制备方法等进行了合理分层、递进式的保护,采用快速的申请和审查答复,大幅缩短了审查时间。本发明专利快速获得授权后,有利于该申请人对该专利技术成果进行转化、实施,尽早投入使用,产生更好的社会和经济效益。

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