亚纳米碳纳米管/分子筛复合反渗透膜的制备及其脱盐性能研究

Development of novel methods for synthesis membranes with high salt rejection and water flux properties, is one of the most difficulty items in the field of reverse osmosis(RO)　process. Molecular dynamic simulation results predicted that sub-nanosized carbon nanotubes (diameter less than one nanometer) membranes would have higher salt rejection and water flux properties than general membranes. This prediction have not been proved experimentally due to the lack of proper method of preparation of sub-nanosized CNTs membranes. In this application, both AFI and DON type of oriented zeolite membranes will be synthesized on AL2O3 substrates firstly. Secondly, sub-nanosized carbon nanotubes will be formed inside the channels of zeolite by vacuum pyrolypsis technique. Finally, the synthesized CNTs /zeolite composite membranes will be further employed as a main component of RO desalination instrument and will be tested as RO membane. The salt rejection and water flux data will be collected and compared with results calculated by using simulation method. The aim of this projcet is to invent a novel method for preparation of sub-nanosized carbon nanotube membranes, and to provide both theoritical and practical supports for the research forcusing on the development of RO membranes by using CNTs.

发展制备高截盐率和高通量反渗透膜的新方法，是膜材料研究开发的难点。分子动力学模拟结果预测, 使用管径小于1 nm (亚纳米)的碳纳米管膜可以在有效截留钠离子的前提下，实现具有比普通膜高数倍的水通量。但由于缺少有效制备亚纳米级碳纳米管膜的方法，该预测结果还没有完全被实验所证实。本项目拟首先在多孔底基上，合成具有一维直孔道的AFI、DON型取向分子筛膜。其次，以合成的分子筛膜为硬模板，利用真空热解法在分子筛孔道内，制备取向排列的亚纳米级碳纳米管膜。最后，以制备的碳纳米管分子筛复合膜为主体，设计、加工反渗透膜脱盐装置，通过实验测定膜的截盐率和水通量，验证理论模拟计算结果，优化材料制备方法和数学计算模型。通过上述研究，将获得制备亚纳米管径的碳纳米管膜的新方法，为发展利用碳纳米管制备高截盐率和高通量反渗透膜的研究，提供实验和理论支持。

大面积制备致密无缺陷分子筛膜，是制约分子筛膜应用的难题。本项目创新性地发展了利用LB技术，在厘米尺度大面积制备致密无缺陷分子筛膜的新方法。该方法操作简单，制备过程高度可控且重复性高。电化学和气体分离实验结果证实，采用该方法制备的一系列具有一维直孔道的分子筛膜（如取向MFI、AFI、LTL和DON型分子筛），致密无缺陷，并具有分子筛分功能。该研究为无缺陷分子筛膜的制备和推动分子筛膜在催化和分离等领域的应用，奠定了实验基础。. 发展制备高截盐率和高通量反渗透膜的新方法，是膜材料研究开发的难点。本项目以LB方法合成的取向分子筛膜为硬模板，利用真空热解法制备了取向排列的亚纳米级碳纳米管膜，并实验测定碳纳米管/分子筛复合膜的截盐率和水通量的研究，以期获得一条制备高截盐率和高通量反渗透膜的新方法。现阶段，实验结果证实，采用真空热解法可以制备碳纳米管膜，但由于高温碳化产生的热应力使分子筛膜产生了大量缺陷，破坏了分子筛膜的脱盐性能。如何解决分子筛膜在高温碳化下的缺陷问题，是长期困扰分子筛膜研究领域的一个世界难题，还需本科题组继续努力解决。. 本项目研究发展的利用LB技术制备致密无缺陷分子筛膜的方法，已经获得国家发明专利授权，并应邀在第7届国际分子筛膜会议上作口头报告；发表SCI/EI论文13篇（Langmuir， Journal of Materials Science），其中1篇论文获第13届宁夏自然科学优秀学术论文二等奖；项目主持人2014年获第五届中国侨界创新人才贡献奖，2016年入选宁夏回族自治区科技创新领军人才；毕业硕士研究生9人。