一種有效增強(qiáng)氧化石墨烯膜脫水性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種有效增強(qiáng)氧化石墨烯膜脫水性能的方法。
[0002]背影技術(shù)
[0003]膜分離是基于材料的分離過程，是利用混合物中各組分在材料中物理和化學(xué)性質(zhì)的差異來實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的過程，因此膜材料是膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來，一種新型的碳原子材料--石墨稀(Graphene)材料，得到研宄者的廣泛關(guān)注。該材料具有理想的二維晶體結(jié)構(gòu)，其碳原子以Sp2雜化方式互相鍵合，形成只包含六角元胞的剛性片層結(jié)構(gòu)，是目前最薄的二維材料(Science, 324 (2009) 1530-1534)。由于石墨烯突出的物理化學(xué)性質(zhì)，近兩年石墨稀材料在分離膜上的應(yīng)用得到了廣泛的研宄(Science, 2014，343，740-742 ；AngewChemInt Ed Englj2014，53，10286-10288 ；Journal of Materials ChemistryA, 2014，2，13772-13782)。
[0004]作為石墨烯的氧化物，堆積的氧化石墨烯已被證明具體暢通無阻的水通道(Science 2012，335，442-444)，在水處理、離子分離等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景(Adv.Mater.2013，25，503-508 ；Science 2014，343，752-754)。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中氧化石墨烯膜往往不能達(dá)到預(yù)期的分離效果。一方面是由于本身具有的靜電排斥導(dǎo)致氧化石墨烯片層無法形成高度有序的堆積層，會(huì)形成一些不可避免的缺陷；另一方面在水溶液中氧化石墨烯層與層間的間距會(huì)發(fā)生變化。這些因素使得氧化石墨烯的快速水通道無法充分發(fā)揮作用。因此，急需一種有效的方法提高氧化石墨烯的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供了一種有效增強(qiáng)氧化石墨烯膜脫水性能的方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:將親水聚合物涂覆于氧化石墨烯膜表層，協(xié)同利用親水聚合物的強(qiáng)吸水性和氧化石墨烯的快速水通道，實(shí)現(xiàn)高效的膜法水處理。
[0007]本發(fā)明的具體技術(shù)方案為:一種有效增強(qiáng)氧化石墨烯膜脫水性能的方法，其具體步驟如下:
[0008](I)氧化石墨烯膜的制備:在陶瓷或有機(jī)支撐體表面制備氧化石墨烯復(fù)合膜，在烘干，待用；
[0009](2)改性劑的制備:將親水性聚合物溶解于溶劑中，加熱、攪拌及超聲處理得到分散均勻的改性劑溶液；
[0010](3)氧化石墨烯復(fù)合膜改性處理:將制備的改性劑溶液采涂覆于步驟⑴制備氧化石墨稀復(fù)合膜表面；
[0011](4)將改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜烘干。
[0012]優(yōu)選步驟(I)中采用過濾或真空抽吸等方法在陶瓷或有機(jī)支撐體表面制備氧化石墨烯復(fù)合膜。上述的過濾方法采用常規(guī)的過濾方法，真空抽吸法可參見專利(一種制備管式石黑烯材料復(fù)合膜的方法，公開號(hào)CN103861469A)。
[0013]優(yōu)選步驟(I)中的烘干溫度為30°C?80°C ;步驟⑷中的烘干溫度為40°C?100。。。
[0014]優(yōu)選步驟(I)中所述的陶瓷支撐體材質(zhì)為氧化鋁、氧化硅、氧化鈦或氧化鋯；有機(jī)支撐體材質(zhì)為聚乙烯、四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纖維脂、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚砜或聚醚砜。
[0015]優(yōu)選步驟⑴中所述的陶瓷或有機(jī)支撐體的孔徑范圍均為0.1?3 μπι。
[0016]優(yōu)選步驟(I)中所制備的氧化石墨烯復(fù)合膜構(gòu)型為管式、平板或卷式。
[0017]優(yōu)選步驟(2)中所述的親水聚合物為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸、聚N-乙烯基己內(nèi)酰胺、殼聚糖及衍生物、海澡酸鈉及衍生物、淀粉及衍生物、三亞甲基碳酸酯-聚乳酸共聚物、聚乳酸-聚乙交酯共聚物或聚乙二醇-聚乳酸共聚物。
[0018]優(yōu)選步驟(2)中的溶劑是純水，或者是乙醇或甲醇的水溶液，其中水體積含量為20 ?80%。
[0019]優(yōu)選步驟(2)中制備的改性劑溶液的質(zhì)量百分濃度為0.05?5%。
[0020]優(yōu)選步驟(3)中的涂覆方式為浸涂或擦涂。
[0021]有益效果:
[0022]該方法提供了一種簡單、易操作地增強(qiáng)氧化石墨烯膜脫水性能的方法。該方法利用親水聚合物的強(qiáng)吸水性特點(diǎn)，充分發(fā)揮氧化石墨烯的快速水通道的性能優(yōu)勢(shì)，從而有效實(shí)現(xiàn)提高氧化石墨烯膜的脫水性能。對(duì)于氧化石墨烯在膜領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0023]圖1是實(shí)施例1改性后的片式氧化鋁陶瓷支撐的氧化石墨烯膜實(shí)物圖；
[0024]圖2是實(shí)施例2改性后的片式醋酸纖維脂支撐的氧化石墨烯膜實(shí)物圖；
[0025]圖3是實(shí)施例3改性后的管式氧化鋁支撐的氧化石墨烯膜實(shí)物圖；
[0026]圖4是實(shí)施例3殼聚糖改性后的氧化石墨烯膜表面圖；
[0027]圖5是實(shí)施例3殼聚糖改性后的氧化石墨烯膜斷面圖；
【具體實(shí)施方式】
[0028]實(shí)施例1
[0029]采用本發(fā)明的方法處理片式氧化鋁陶瓷支撐(孔徑為10nm)的氧化石墨烯膜
[0030](I)采用過濾方法制備片式氧化鋁陶瓷支撐的氧化石墨烯膜，在50°C烘干，待用；
[0031](2)改性劑的制備:將聚乙烯醇溶解于水中，加熱、攪拌及超聲處理得到分散均勻的聚乙烯醇水溶液，濃度為1% (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))；
[0032](3)氧化石墨烯復(fù)合膜改性處理:將制備的聚乙烯醇水溶液采用浸涂方法涂覆于步驟I制備片式氧化鋁陶瓷支撐的氧化石墨烯膜表面；
[0033](4)將改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜在70°C烘干，改性后的片式氧化鋁陶瓷支撐的氧化石墨烯膜實(shí)物圖如圖1所示。
[0034]對(duì)改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜進(jìn)行丁醇脫水滲透汽化表征，結(jié)果表明該膜具有良好的脫水性能，改性前通量為2.42kg/m2h，分離因子為359，改性后通量達(dá)到2.34kg/m2h，分1?因子為2558。
[0035]實(shí)施例2
[0036]采用本發(fā)明的方法處理片式醋酸纖維脂支撐(孔徑為3 μπι)的氧化石墨烯膜
[0037](I)采用過濾方法制備片式醋酸纖維脂支撐的氧化石墨烯膜，在30°C烘干，待用；
[0038](2)改性劑的制備:將聚丙烯酰胺溶解于體積濃度為70%乙醇的水溶液中，加熱、攪拌及超聲處理得到分散均勻的聚丙烯酰胺溶液，濃度為5% (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))；
[0039](3)氧化石墨烯復(fù)合膜改性處理:將制備的聚丙烯酰胺溶液采用擦涂方法涂覆于步驟I制備片式醋酸纖維脂支撐的氧化石墨烯膜表面；
[0040](4)將改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜在40°C烘干，改性后的片式醋酸纖維脂支撐的氧化石墨烯膜實(shí)物圖如圖2所示。
[0041]對(duì)改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜進(jìn)行丁醇脫水滲透汽化表征，結(jié)果表明該膜具有良好的脫水性能，改性前通量為4.96kg/m2h，分離因子為284，改性后通量達(dá)到5.04kg/m2h，分離因子為2126。
[0042]實(shí)施例3
[0043]采用本發(fā)明的方法處理管式氧化鋁支撐(孔徑為600nm)的氧化石墨烯膜
[0044](I)采用真空抽吸方法制備管式氧化鋁支撐的氧化石墨烯膜，在60°C烘干，待用；
[0045](2)改性劑的制備:將殼聚糖溶解于水溶液中，加熱、攪拌及超聲處理得到分散均勻的殼聚糖水溶液，濃度為0.1 % (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))；
[0046](3)氧化石墨烯復(fù)合膜改性處理:將制備的殼聚糖水溶液采用浸涂方法涂覆于步驟I制備管式氧化鋁支撐的氧化石墨烯膜表面；
[0047](4)將改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜在70°C烘干，改性后的管式氧化鋁支撐的氧化石墨烯膜實(shí)物圖如圖3所示；殼聚糖改性后的氧化石墨烯膜表面和斷面圖分別如圖4和圖5所示；
[0048]對(duì)改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜進(jìn)行丁醇脫水滲透汽化表征，結(jié)果表明該膜具有良好的脫水性能，改性前通量為10.lkg/m2h，分離因子為373，改性后通量達(dá)到10.2kg/m2h，分尚因子為1685。
[0049]實(shí)施例4
[0050]采用本發(fā)明的方法處理卷式聚丙烯腈支撐(孔徑為Iym)的氧化石墨烯膜
[0051](I)采用過濾方法制備卷式聚丙烯腈支撐的氧化石墨烯膜，在80°C烘干，待用；
[0052](2)改性劑的制備:將聚乙二醇-聚乳酸共聚物溶解于體積濃度為30%甲醇的水溶液中，加熱、攪拌及超聲處理得到分散均勻的聚乙二醇-聚乳酸共聚物溶液，濃度為
0.05% (質(zhì)量百分?jǐn)?shù))；
[0053](3)氧化石墨烯復(fù)合膜改性處理:將制備的聚乙二醇-聚乳酸共聚物溶液采用浸涂方法涂覆于步驟I制備卷式聚丙烯腈支撐的氧化石墨烯膜表面；
[0054](4)將改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜在100°C烘干。
[0055]對(duì)改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜進(jìn)行丁醇脫水滲透汽化表征，結(jié)果表明該膜具有良好的脫水性能，改性前通量為9.03kg/m2h，分離因子為328，改性后通量達(dá)到8.92kg/m2h，分離因子為1973。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種有效增強(qiáng)氧化石墨烯膜脫水性能的方法，其具體步驟如下: (1)氧化石墨烯膜的制備:在陶瓷或有機(jī)支撐體表面制備氧化石墨烯復(fù)合膜，在烘干，待用； (2)改性劑的制備:將親水性聚合物溶解于溶劑中，加熱、攪拌及超聲處理得到分散均勻的改性劑溶液； (3)氧化石墨烯復(fù)合膜改性處理:將制備的改性劑溶液采涂覆于步驟(I)制備氧化石墨稀復(fù)合膜表面； (4)將改性過的氧化石墨烯復(fù)合膜烘干。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中采用過濾或真空抽吸的方法在陶瓷或有機(jī)支撐體表面制備氧化石墨烯復(fù)合膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中的烘干溫度為30°C?80°C;步驟(4)中的烘干溫度為40 °C?100 °C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中所述的陶瓷支撐體材質(zhì)為氧化鋁、氧化硅、氧化鈦或氧化鋯；有機(jī)支撐體材質(zhì)為聚乙烯、四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纖維脂、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚砜或聚醚砜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中所述的陶瓷或有機(jī)支撐體的孔徑范圍均為0.1?3 μπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中所制備的氧化石墨烯復(fù)合膜構(gòu)型為管式、平板或卷式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中所述的親水聚合物為聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸、聚N-乙烯基己內(nèi)酰胺、殼聚糖及衍生物、海澡酸鈉及衍生物、淀粉及衍生物、三亞甲基碳酸酯-聚乳酸共聚物、聚乳酸-聚乙交酯共聚物或聚乙二醇-聚乳酸共聚物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中的溶劑是純水，或者是乙醇或甲醇的水溶液，其中水體積含量為20?80%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)中制備的改性劑溶液的質(zhì)量百分濃度為0.05?5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)中的涂覆方式為浸涂或擦涂。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種有效增強(qiáng)氧化石黑烯膜脫水性能的方法。該方法將親水聚合物涂覆于氧化石墨烯膜表層，協(xié)同利用親水聚合物的強(qiáng)吸水性和氧化石墨烯的快速水通道特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高效的氧化石墨烯膜脫水。該方法的特點(diǎn)是簡單、易操作，無需對(duì)氧化石墨烯原材料進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)處理，對(duì)于氧化石墨烯在膜領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用具有很好的指導(dǎo)意義。
【IPC分類】B01D69-12, B01D61-00, B01D67-00, B01D71-02
【公開號(hào)】CN104841291
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510263373
【發(fā)明人】金萬勤, 黃康, 劉公平
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月21日