本發明專利技術公開了一種仿“鼻腔纖毛”結構的納米纖維過濾膜的結構設計、制備及自清潔方法，該過濾膜兼具水通量大、截留率高以及自清潔等優點。其內容是將靜電紡聚丙烯腈纖維膜通過預氧化和碳化得到碳納米纖維膜，并在其表面吸附催化劑，最終通過等離子體氣相沉積技術在膜中纖維表面生長碳納米管；待膜應用與污水過濾后，將被污染的膜置于直流電場中，通過反復開通和關閉電流，實現膜的自清潔。這種結構特殊之處在于：膜中纖維表面垂直生長了碳納米管，類似于鼻腔纖毛結構，在提高膜過濾精度和過濾效率情況下，過濾阻力提高極小；此外，在膜清洗時，纖維表面的碳納米管在電場作用下往同一方向反復移動，直至排出膜中纖維表面污染物，實現膜的自清潔。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于紡織品結構設計領域，特別是涉及一種具有自清潔功能的仿鼻腔纖毛結構過濾材料制備及清潔方法。
技術介紹
在現代化工業經濟高度繁榮和發展的今天，環境污染正日益成為一個不得不令人關注的嚴峻問題。液體過濾在國防、工業、農業、醫療等領域有著舉足輕重的作用，多年來人們一直致力于液體過濾材料的研究與開發。膜過濾技術作為21世紀最有發展前途的一種液體過濾技術已經引起了越來越多的關注，其中最為常用的膜技術有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)4種。靜電紡作為一項制備膜材料的新技術，所制備的纖維膜與傳統的過濾膜相比具有以下優點：孔徑小、孔隙率高(可達80％甚至更高)、孔的連通性好、膜表面粗糙度高以及低克重等，并且通過靜電紡絲制備的納米纖維膜具有很高的滲透性以及相互貫通的孔結構，作為過濾介質具有操作簡單、能耗低且分離效率高等優點，能夠廣泛地應用于不同的過濾領域。然而，在過濾過程中，溶質或微粒易于沉積在膜表面甚至進入到膜內部，這便造成了膜的易污染性，受污染的膜水通量明顯降低，嚴重縮短了膜的使用壽命。目前廣泛采用的解決辦法是在膜表面涂覆一層親水性、高水透過性的薄膜，這種方法能在一定程度改善傳統過濾膜的污染問題，然而由于這些涂層的水力阻力，復合膜的水通量勢必有所降低。因此，膜污染問題也成為了污水處理領域亟待解決的難題，制約著水清潔技術的發展。鼻腔是人體對外界空氣進行加溫、加濕并過濾顆粒細菌的重要通道。作為人體空氣過濾器，鼻前孔的鼻毛及反射性噴嚏是過濾空氣中較大顆粒的前兩道防線，而鼻腔中段的纖毛結構是鼻腔最為重要的過濾場所，它能過濾空氣中粒徑小于0.5um及以下的顆粒，形成無塵無菌的空氣后吸入人體。最難得的是，鼻腔中的纖毛表面易于黏住細菌或灰塵顆粒，在鼻腔中的粘液痰的作用下，鼻腔中的纖毛總是向同一個方向擺動，把過濾出的細菌或顆粒送出鼻腔外，從而實現了自清潔功能，使人呼吸通暢，并保持其過濾效率。因此，模擬“鼻腔”這一天然過濾器的自清潔功能，將其應用于傳統的水過濾領域，從而提高過濾膜的抗污染能力，延長使用壽命，是本專利即將說明的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于解決超濾納米纖維膜容易受污染的問題，提供一種水通量大、截留率高、耐酸堿污染以及具備自清潔功能的高性能復合超濾膜。為實現上述目的，本專利技術涉及的主要內容有兩個：一、仿“鼻腔纖毛”結構過濾材料的制備。通過靜電紡絲技術制備出聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜，將納米纖維膜牽伸之后進行預氧化處理，使PAN的線性分子鏈轉化為耐熱的梯形結構，使其在高溫碳化時不溶不燃，保持纖維形態(PAN纖維通過低溫預氧化使熱塑性PAN轉化成環狀或耐熱的梯形化合物，使其可承受下一步工藝的高溫)。再經高溫碳化處理，除去纖維中大量的氧、氮和其他元素，得到碳納米纖維膜(圖1)。把制備好的碳納米纖維膜經催化劑處理之后(圖2)，利用等離子化學氣相沉積(PECVD)技術在膜中的纖維表面垂直生長出均勻的一層碳納米管(圖3)。這種碳納米網結構與PAN碳纖維膜共同構建出一種均勻致密并且連接性優良的超濾膜。這種超濾膜的結構特點在于纖維膜上生長的CNTs加了其本身的比表面積，提高了復合膜的截留率。特別是PECVD這種方法使得碳納米網在碳纖維膜表面能夠更加穩定的存在，不容易脫落。經過碳化處理的PAN纖維膜以及CNTs均具備比較高的耐化學腐蝕性能，比傳統的聚合物纖維更加適用于過濾材料。二、仿“鼻腔纖毛”結構過濾材料的“自清潔”。將過濾后被污染的過濾材料置于電場環境中，置于電場正負兩極之間(圖4)。接通電源后，纖維表面的CNTs于電場牽引作用下，CNTs自由端向電場正極方向移動。關閉電源后，由于CNTs由于根部的應力回到初始狀態。再次接通電流，CNTs自由端依然向正極方向移動。關閉電源后CNTs則會回位。在CNTs的反復的同方向推動下，纖維表面的污染物則會向同一方向遷移，最終被排除過濾材料外(圖5)，這種纖維表面生長的CNTs，類似于鼻腔中的纖毛結構，在電場的輔助作用下，通過向同一方向反復的移動，將污染物排出過濾材料外，實現了過濾材料的自清潔。為實現上述目的，所采取的技術方案：一種具有自清潔功能的仿鼻腔纖毛結構過濾材料制備及清潔方法，包括以下步驟：一、按質量分數將聚丙烯腈(PAN)粉末和溶劑混合，經加熱攪拌直至分散均勻，靜置一段時間將紡絲液注入到注射泵中，在溫濕度一定的條件下，利用滾筒接收方式的靜電紡絲設備紡絲成膜；將膜從滾筒上取下放在烘箱中干燥24～72小時。所述的靜電紡絲工藝參數中，環境相對濕度為15～55％，溫度為15～35℃，紡絲電壓為20～25kV，進料速率為0.5～2.0mL/h，紡絲針頭與金屬滾筒接收器之間的接收距離為15～20cm。所述的聚丙烯腈(PAN)的相對分子量為15萬。所述的溶劑選N-N二甲基甲酰胺，溶劑的用量為80～90％。二、將靜電紡絲納米纖維膜經預牽伸之后夾持在石墨板上進行預氧化處理，在空氣氣氛和程序升溫速率為5～20℃/min的條件下，得到預氧化納米纖維膜；將預氧化納米纖維膜碳化處理，在氬氣氣氛中進行石墨化處理，可得到碳納米纖維膜。所述的納米纖維膜原膜在260～290℃空氣氣氛中進行連續預氧化處理，然后依次在800～900℃和1250～1350℃的氬氣氣氛中進行低溫和高溫炭化處理。三、將碳納米纖維膜浸漬在催化劑溶液中催化處理一段時間后，放在烘箱中烘干。將催化劑處理后的碳納米纖維膜放置在PECVD設備中處理，PECVD的功率為200～800W，沉積碳納米管時長為30～90分鐘，所使用的甲烷氣體為碳源，氫氣起到刻蝕作用，和還原金屬氧化物和金屬鹽類作用，甲烷和氫氣的流量比例是1∶2.5～1∶3.5。所述的催化劑硝酸鎳和硝酸鐵，催化劑溶液濃度為0.06～0.15mol/L。所述的催化劑溶劑為乙醇。四、采用納米二氧化鈦為過濾目標，過濾溶液濃度為0.1～1.0g/L。五、將過濾后被污染的過濾膜如圖4所示置于電場環境中，所采用電壓為2V～20V，電解質溶液為NaCl溶液，溶液濃度為0.001mol/L～0.1mol/L。兩端電極材料可以為銅、鐵等導電金屬材料，通過控制開關反復循環清洗，循環的次數為200次～800次。與現有技術相比，本專利技術的有益效果是：本專利技術以碳化納米纖維膜為基底，通過PECVD在碳纖維膜表面低溫沉積一層碳納米網，制備出一種具有自我清潔功能的仿“鼻腔纖毛”結構過濾材料。構建出的這種雙層高性能超濾膜，一方面提高纖維膜的過濾精度和截留率，另一方面，重在解決目前存在的過濾膜易于污染，難以清洗及重復使用的問題。附圖說明圖1碳化后靜電紡PAN納米纖維膜；圖2浸漬催化劑后的碳化PAN膜；圖3表面生長CNTs后的PAN納米纖維膜；圖4污染后的過濾材料“自清潔”裝置；其中，1、正極板2、負極板3、污染后的濾材。圖5過濾材料中的單根纖維表面過濾機理。(A)污染物顆粒在纖維表面形貌；(B)通電情況下，污染物顆粒在CNTs作用下向一個方向移動；(C)斷電后CNTs和污染物顆粒位置形貌；(D)再次通電后的污染物顆粒依然在CNTs作用下向同一方向移動，直至將污染物顆粒排出織物外。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術提供的具有自我清潔功能的仿“鼻腔纖毛”結構過濾材料及其制備方法進本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種具有自清潔功能的仿鼻腔纖毛結構過濾材料。
【技術特征摘要】
1.一種具有自清潔功能的仿鼻腔纖毛結構過濾材料。2.根據權利要求1，其制備特征在于：通過等離子體化學氣相沉積處理，該過濾膜中的纖維表面垂直生長了碳納米管，構建出一種仿鼻腔纖毛結構的納米纖維過濾膜，這種特殊結構的過濾膜兼具較高的水通量以及較高的截留率。3.一種具有自清潔功能的仿鼻腔纖毛結構過濾材料的清潔方法，其特征在于：所述的方法以本過濾膜的仿鼻腔纖毛特殊結構為基礎，在纖維膜應用于過濾后，膜受到污染，于電場作用下，污染后的膜中纖維表面的碳納米管向同一方向方法蠕動，將膜中的過濾雜質顆粒排出膜外，實現過濾材料的自清潔功能。4.根據權利要求2所述的制備方法，其制備過程為：利用靜電紡絲技術制備納米纖維膜，然后通過預氧化、碳化處理得到碳納米纖維膜，將該纖維膜表面沉積催化劑，最后利用等離子體化學氣相沉積處理技術，得到該特殊結構的仿鼻腔纖毛過濾膜。5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于：所述的靜電紡絲工藝參數中，環境相對濕度為15～55％，溫度為15～35℃，紡絲電壓為20～25kV，進料速率...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳磊，伍海明，李文肖，徐志偉，方舟，
申請(專利權)人：天津工業大學，
類型：發明
國別省市：天津;12
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