2個月發證：一(yī)種用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜及其制(zhì)備方法（華南環境科學(xué)研究所）

一(yī)、發明(míng)專利案件(jiàn)基本信息

技術領域：海水淡化與功能(néng)新材料

專利号：CN202210364831.1 

專利名稱：一(yī)種用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜及其制(zhì)備方法

專利申請日：2022-04-08

專利授權日：2022-06-17

專利申請人(rén)：生态環境部華南環境科學(xué)研究所

發明(míng)人(rén)：于雲江; 李良忠; 劉暢; 馬瑞雪(xuě); 陽宸煜; 史國峰; 張蕾; 盧倫

專利代理機構：廣州高炬知(zhī)識産權代理有限公司

專利代理師：孫明(míng)科

二、發明(míng)專利申請文件(jiàn)信息

申請文件(jiàn)：29頁，1.85萬字，附圖9

授權權利要求：9，其中(zhōng)獨立權利要求：2

權項結構：

三、發明(míng)內(nèi)容摘要：

本發明(míng)公開了一(yī)種用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜及其制(zhì)備方法，該納米纖維Janus膜包括相(xiàng)互層疊連接的(de)親水性納米纖維層、疏水性納米纖維層、多(duō)個電(diàn)噴塗PS/PDMS混合溶液形成的(de)噴霧珠粒；親水性納米纖維層與疏水性納米纖維層經熱壓，使各纖維層中(zhōng)的(de)納米纖維與噴霧珠粒局部接觸、相(xiàng)互連接，成爲內(nèi)部及表面均具有大量氣穴的(de)一(yī)體(tǐ)化的(de)納米纖維Janus膜；疏水性納米纖維及該層中(zhōng)各納米纖維之間(jiān)的(de)噴霧珠粒、納米纖維上的(de)工(gōng)程珠串結構，共同形成薄疏水層，以及朝向所述納米纖維Janus膜外(wài)側表面的(de)多(duō)級表面粗糙度。本發明(míng)重點制(zhì)備形成特定的(de)多(duō)層3D網絡彈性孔隙結構的(de)Janus膜材料，其綜合性能(néng)高。

四、發明(míng)摘要附圖：

米纖維Janus膜疏水層的(de)表面形貌和(hé) WCA 值

五、獨立權利要求1：

1. 一(yī)種用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜，其特征在(zài)于，其包括相(xiàng)互層疊連接的(de)親水性納米纖維層、疏水性納米纖維層、多(duō)個電(diàn)噴塗PS/PDMS混合溶液形成的(de)噴霧珠粒；

親水性納米纖維層爲電(diàn)紡PAN納米纖維層，該層的(de)下表面即納米纖維Janus膜的(de)內(nèi)側表面，爲具有超親水性和(hé)高度多(duō)孔結構的(de)超親水表面，該層的(de)上表面通(tōng)過噴霧珠粒與疏水性納米纖維層連接；

所述的(de)疏水性納米纖維層爲電(diàn)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(de)噴霧珠粒，爲表面帶有大量納米級介孔的(de)空心球狀結構；所述電(diàn)噴塗PS/PDMS混合溶液形成的(de)多(duō)個噴霧珠粒，在(zài)形成珠粒的(de)過程中(zhōng)分(fēn)别被PH、PAN納米纖維層中(zhōng)的(de)無定型納米纖維構成的(de) 3D 網絡錨定，非連續的(de)分(fēn)布在(zài)不同的(de)納米纖維之間(jiān)，或者連續的(de)分(fēn)布同一(yī)條納米纖維上，形成工(gōng)程珠串結構；

所述的(de)噴霧珠粒及其形成的(de)工(gōng)程珠串，随機分(fēn)布在(zài)多(duō)條無定型PA、PH納米纖維之間(jiān)，爲多(duō)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(jiān)及其形成的(de)層間(jiān)保持間(jiān)隙，形成各條、各層納米纖維間(jiān)的(de)彈性支撐、連接與間(jiān)隔結構；

所述的(de)親水性納米纖維層與疏水性納米纖維層經熱壓，使各纖維層中(zhōng)的(de)納米纖維與噴霧珠粒局部接觸、相(xiàng)互連接，成爲厚度方向內(nèi)部及表面均具有大量氣穴的(de)一(yī)體(tǐ)化的(de)納米纖維Janus膜；

其中(zhōng)，疏水性納米纖維及該層中(zhōng)各納米纖維之間(jiān)的(de)噴霧珠粒、納米纖維上的(de)工(gōng)程珠串結構，共同形成薄疏水層，以及朝向所述納米纖維Janus膜外(wài)側表面的(de)多(duō)級表面粗糙度；

所述的(de)PAN爲聚丙烯腈，PS爲聚苯乙烯，PDMS爲聚二甲基矽氧烷，PH爲聚（偏二氟乙烯-共-六氟丙烯）；

該納米纖維Janus膜，在(zài)鹽水膜蒸餾MD處理過程中(zhōng)，其厚度方向的(de)內(nèi)外(wài)部存在(zài)的(de)大量氣穴爲傳質提供更大的(de)水-氣界面面積，使該納米纖維Janus膜在(zài)液膜界面下方捕獲更多(duō)的(de)空氣，使空氣的(de)傳熱能(néng)力低于聚合物(wù)骨架，有效地減少(shǎo)熱損失和(hé)溫度極化，增強驅動(dòng)力，提高納米纖維Janus膜的(de)水通(tōng)量。

5．一(yī)種權利要求1-4任意一(yī)項所述用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜的(de)制(zhì)備方法，其特征在(zài)于，其包括如(rú)下步驟：

S1：制(zhì)備親水性納米纖維層：在(zài)鋁箔表面粘連靜電(diàn)紡絲PAN溶液，得(de)到衆多(duō)無定型 PAN 納米纖維，該PAN納米纖維的(de)平均直徑爲 266 nm ，層疊後得(de)到親水性納米纖維層，該親水性纖維層的(de)表面具有超親水性和(hé)高度多(duō)孔結構；

S2：制(zhì)備噴霧珠粒及工(gōng)程珠串：

向親水性納米纖維層的(de)上表面電(diàn)噴塗PS/PDMS混合溶液，在(zài)親水性納米纖維層的(de)上表面上形成多(duō)個空心球狀的(de)PS/PDMS噴霧珠粒及工(gōng)程珠串；

S3：制(zhì)備薄疏水層：在(zài)親水性納米纖維層上表面上，進行(xíng)靜電(diàn)紡絲PH溶液，制(zhì)備得(de)到單層電(diàn)紡PH納米纖維；伴随着靜電(diàn)紡絲PH溶液的(de)進行(xíng)，同步對(duì)該單層電(diàn)紡PH納米纖維進行(xíng)電(diàn)噴塗 PS/PDMS 混合溶液，在(zài)該單層電(diàn)紡PH納米纖維上形成多(duō)個PS/PDMS噴霧珠粒及工(gōng)程珠串；多(duō)次重複靜電(diàn)紡絲PH溶液和(hé)同步電(diàn)噴塗 PS/PDMS 混合溶液，形成具備多(duō)層結構、外(wài)表面上具有多(duō)級粗糙度的(de)薄疏水層，其中(zhōng)随機分(fēn)布的(de)噴霧珠粒對(duì)各電(diàn)紡PH納米纖維之間(jiān)及各層PH納米纖維之間(jiān)，進行(xíng)彈性支撐、連接和(hé)間(jiān)隔；

S4：整體(tǐ)熱壓：将親水性納米纖維層、噴霧珠粒及工(gōng)程珠串、薄疏水層進行(xíng)整體(tǐ)熱壓，使各纖維層中(zhōng)及層間(jiān)的(de)納米纖維與噴霧珠粒，局部相(xiàng)互接觸、熔融，穩定連接，成爲一(yī)體(tǐ)化的(de)納米纖維Janus膜。

六、發明(míng)人(rén)團隊簡介

本發明(míng)由生态環境部華南環境科學(xué)研究所副所長(cháng)、研究員、博士生導師于雲江博士科研團隊研發完成。生态環境部華南環境科學(xué)研究所成立于1973年(nián)，是中(zhōng)華人(rén)民共和(hé)國生态環境部直屬的(de)從事(shì)綜合性環境科學(xué)研究的(de)公益性科研機構，位于廣東省廣州市。該研究所作(zuò)爲綜合性環境科研機構，大力支撐環保部中(zhōng)心工(gōng)作(zuò)，面向全國開展前瞻性環境問(wèn)題研究，水、土(tǔ)、氣、環境健康、環境應急和(hé)環境信息技術等研究領域。研究所以熱帶亞熱帶區域環境問(wèn)題，沿海開發區和(hé)港澳台等發達地區環境問(wèn)題，河口、感潮河網、海洋等複雜水環境模拟，區域、流域可(kě)持續發展，污染控制(zhì)技術體(tǐ)系等爲主要研究方向。

七、本發明(míng)主要的(de)有益效果：

1．本發明(míng)提供的(de)用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜，通(tōng)過引入PDMS改性，同步進行(xíng)混合靜電(diàn)紡絲和(hé)噴塗形成表面及內(nèi)部由無定型納米纖維、噴霧珠粒及工(gōng)程珠串結構，相(xiàng)互穩定連接的(de)多(duō)層彈性3D網絡孔隙結構，在(zài)薄疏水層上構建出獨特的(de)多(duō)級粗糙度，在(zài)鹽水MD等過程中(zhōng)，增強膜材料的(de)整體(tǐ)穩定性、表面疏水性，得(de)到更好的(de)耐用性和(hé)抗污染能(néng)力，并提高水通(tōng)量和(hé)脫鹽效率，是一(yī)種高産量、高穩定性以及多(duō)功能(néng)化的(de)Janus膜材料。

本發明(míng)提供的(de)納米纖維Janus膜與現有技術的(de)其他膜材料相(xiàng)比，該使用PDMS改性後的(de)Janus膜，在(zài)薄疏水層的(de)表面及內(nèi)部均形成了随機分(fēn)布的(de)大量表面帶有介孔的(de)空心噴霧珠粒及工(gōng)程珠串結構，使得(de)該薄疏水層的(de)外(wài)表面粗糙度增加，薄疏水層的(de)最大平均表面粗糙度(Ra)爲812nm，最大接觸角（WCA）值爲147.2°，遠(yuǎn)高于其他膜材料。

2．本發明(míng)提供的(de)用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜，通(tōng)過同步進行(xíng)混合靜電(diàn)紡絲和(hé)噴塗而形成多(duō)層3D納米纖維網絡，廣泛分(fēn)布在(zài)各納米纖維上及各層間(jiān)的(de)噴霧珠粒（噴霧珠粒）具有空心、彈性結構，其作(zuò)爲各納米纖維之間(jiān)及層間(jiān)的(de)間(jiān)隔物(wù)、支撐物(wù)、連接物(wù)，潛在(zài)地擴大各相(xiàng)鄰 PH 納米纖維之間(jiān)的(de)距離，降低疏水層的(de)堆積密度，增加孔隙率（在(zài)材料內(nèi)部及表面上形成大量氣穴），增加薄疏水層的(de)彈性和(hé)厚度，并提高各納米纖維及層間(jiān)的(de)連接強度；納米纖維Janus膜具備的(de)更高孔隙率、表面粗糙度和(hé)堅固連接結構的(de)薄疏水膜，使該膜材料在(zài)MD過程中(zhōng)可(kě)以在(zài)液膜界面下方捕獲更多(duō)空氣，大量氣穴的(de)存在(zài)不僅可(kě)以爲傳質提供更大的(de)水-氣界面面積，而且由于空氣的(de)傳熱能(néng)力低于聚合物(wù)骨架，因此可(kě)以有效地減少(shǎo)熱損失和(hé)溫度極化，使驅動(dòng)力的(de)增強，可(kě)極大的(de)加強Janus膜的(de)水通(tōng)量，能(néng)夠達到27.7 L/m2h。

3. 本發明(míng)提供的(de)用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜，通(tōng)過噴霧珠粒對(duì)各納米纖維及層間(jiān)的(de)協調作(zuò)用，提高了材料的(de)總體(tǐ)彈性和(hé)連接穩定性，因此大幅提升了該膜材料的(de)循環使用性能(néng)，大大延長(cháng)了材料的(de)使用壽命。經過實際測試，本發明(míng)的(de)Janus膜在(zài)連續使用20小時後，膜材料沒有明(míng)顯的(de)污垢沉積在(zài)膜表面或孔堵塞，該Janus膜WCA值僅減小了4.2°，污染物(wù)與膜表面之間(jiān)的(de)表面斥力增強、并始終保持在(zài)較高的(de)水平上，與其他膜材料相(xiàng)比，本發明(míng)獨特的(de)內(nèi)外(wài)部3D結構，以及薄疏水膜外(wài)表面存在(zài)向外(wài)凸起的(de)PDMS噴霧珠粒（及工(gōng)程珠串）相(xiàng)結合，可(kě)以有效減輕膜有機污染，耐堿性，使材料在(zài)較長(cháng)時間(jiān)的(de)使用過程中(zhōng)，保持穩定的(de)水通(tōng)量和(hé)脫鹽率。

八、本案專利代理師經驗分(fēn)享：

水資(zī)源匮乏以及水污染問(wèn)題是人(rén)類社會(huì)可(kě)持續發展的(de)重要阻礙之一(yī)。因而，開發一(yī)種高效、便捷的(de)水處理技術一(yī)直是一(yī)個熱門的(de)研究課題。膜分(fēn)離技術因其低污染、低能(néng)耗等優勢被廣泛應用于水的(de)淨化以及海水淡化等領域中(zhōng)。

随着界面太陽能(néng)蒸汽發電(diàn)技術的(de)發展，太陽能(néng)直接脫鹽技術因其成本低、環境友(yǒu)好的(de)優勢被認爲是一(yī)種很有潛力的(de)技術。膜蒸餾 (MD) 作(zuò)爲一(yī)種熱驅動(dòng)的(de)膜工(gōng)藝被認爲是傳統脫鹽技術（如(rú)多(duō)級閃蒸）的(de)可(kě)行(xíng)且經濟的(de)替代方案，因爲它易于操作(zuò)且可(kě)利用低品位熱量（例如(rú)，廢熱和(hé)太陽能(néng)），與反滲透等壓力驅動(dòng)的(de)膜脫鹽技術相(xiàng)比，MD 工(gōng)藝具有更低的(de)能(néng)耗和(hé)膜污染傾向。然而，由于缺乏具有優異蒸汽滲透性、較高的(de)脫鹽率、高熱穩定性和(hé)良好抗污染能(néng)力的(de)高效膜，仍然是MD工(gōng)藝在(zài)海水淡化中(zhōng)廣泛實際應用的(de)主要障礙。

雖然，Janus膜在(zài)許多(duō)領域，特别是在(zài)海水淡化、飲用水處理和(hé)廢水處理中(zhōng)表現出很好的(de)應用前景。然而，現有的(de)Janus膜及其制(zhì)備方法仍然存在(zài)一(yī)些不足，且對(duì)Janus膜的(de)制(zhì)備方法工(gōng)藝複雜，工(gōng)藝參數控制(zhì)要求高，難以實現工(gōng)業化。

針對(duì)這(zhè)一(yī)情況，本發明(míng)人(rén)團隊采用新的(de)思路，研發了一(yī)種用于鹽水膜蒸餾處理的(de)納米纖維Janus膜、制(zhì)備方法及應用，通(tōng)過引入PDMS改性，同步進行(xíng)混合靜電(diàn)紡絲和(hé)噴塗形成表面及內(nèi)部由無定型納米纖維、噴霧珠粒及工(gōng)程珠串結構，相(xiàng)互穩定連接的(de)多(duō)層彈性3D網絡孔隙結構，在(zài)薄疏水層上構建出獨特的(de)多(duō)級粗糙度，增強膜材料的(de)整體(tǐ)穩定性、表面疏水性，得(de)到更好的(de)耐用性和(hé)抗污染能(néng)力；充分(fēn)利用該納米纖維Janus膜的(de)3D網絡結構和(hé)內(nèi)外(wài)部孔隙、多(duō)級粗糙度表面等優勢，以提高材料的(de)耐用性、耐堿性、抗污染能(néng)力，并提高水通(tōng)量和(hé)脫鹽效率。

本專利涉及多(duō)個學(xué)科和(hé)技術領域，包括海水淡化、納米功能(néng)材料、膜分(fēn)離技術、制(zhì)造工(gōng)藝及微觀結構原理等，對(duì)專利代理師的(de)跨領域的(de)專業能(néng)力、綜合水平，對(duì)新材料、化工(gōng)技術領域的(de)經驗要求較高。我(wǒ)公司派出專利代理師孫明(míng)科與研發團隊對(duì)接，反複多(duō)次與研發團隊深入交流，共同分(fēn)析技術問(wèn)題和(hé)發明(míng)要點，在(zài)深度檢索和(hé)多(duō)次撰寫修改的(de)基礎上，完成了本項發明(míng)專利的(de)申請文件(jiàn)。本案專利代理師通(tōng)過與于所長(cháng)研發團隊成員密切溝通(tōng)，認真聽取發明(míng)人(rén)的(de)構思和(hé)技術方案，并且進行(xíng)了深入的(de)技術檢索、對(duì)比和(hé)技術挖掘，準确定位技術問(wèn)題和(hé)核心發明(míng)點，從而得(de)到了本發明(míng)呈現的(de)較爲完善的(de)技術方案，并且順利獲得(de)授權。申請權利要求與授權權利要求幾乎沒有改動(dòng)。

   本專利是專利代理師與發明(míng)人(rén)團隊深入交流、科學(xué)布局、密切合作(zuò)完成的(de)跨領域高質量專利申請案件(jiàn)，雙方多(duō)次、反複討(tǎo)論、修改了多(duō)稿才最終定稿，發明(míng)人(rén)科研團隊及代理師對(duì)本發明(míng)均付出了辛苦的(de)勞動(dòng)。

本發明(míng)專利作(zuò)爲新材料領域的(de)高質量的(de)發明(míng)專利，與申請人(rén)布局的(de)其他發明(míng)專利相(xiàng)互配合，對(duì)納米材料、制(zhì)備方法等進行(xíng)了合理分(fēn)層、遞進式的(de)保護，采用快速的(de)申請和(hé)審查答(dá)複，大幅縮短(duǎn)了審查時間(jiān)。本發明(míng)專利快速獲得(de)授權後，有利于該申請人(rén)對(duì)該專利技術成果進行(xíng)轉化、實施，盡早投入使用，産生更好的(de)社會(huì)和(hé)經濟效益。