一种新型RGO/MXene复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型RGO/MXene复合膜及其制备方法，通过DA对GO进行还原处理，制备出RGO；通过LiF和HCl混合溶液对MAX进行剥离，得到片层结构清晰的二维MXene材料；将MXene分散溶液和RGO分散溶液超声混合，通过真空抽滤的方式在PVDF膜基材上构建出RGO/MXene复合膜，将其用于工业废水的处理。发明专利技术详细探究了RGO和MXene两种材料的协同成膜机理和分离机理，为进一步拓宽MXene的使用范围、开发和构筑更多新型高性能膜材料提供一些借鉴意义。从膜材料本身结构的改善角度出发，提高膜的处理效率和循环使用性，最终达到降低工业废水处理成本的现实目的。

A novel RGO / mxene composite membrane and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种新型RGO/MXene复合膜及其制备方法
本专利技术涉及材料
，尤其是涉及一种新型RGO/MXene复合膜的制备方法以及采用该方法制得的新型RGO/MXene复合膜。
技术介绍
工业废水是指工业生产过程中产生的废水和废液，其污染物种类繁多且成分复杂(常见如油污、染料、重金属和微生物等)，若在排放前不加以有效处理，将对周围生态环境和人类健康构成了巨大的威胁。膜分离技术具有分离效率高和环境友好等特点，目前已在工业废水处理等领域得到了广泛的应用，并有着“21世纪水处理技术”的美誉。膜材料是膜分离技术的关键，是膜技术产业化的核心部件。传统的膜材料抗污染性能差，且渗透通量和截留率之间存在着相互制约的关系。因此，开发既要有较高的选择性和渗透通量，又要有较好的抗污染性的新型膜材料具有重大的意义。MXene(Ti3C2Tx)是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物，一般是通过化学刻蚀等方法选择性去掉MAX相(Ti3AlC2)中的A原子层而制备的。MXene的其化学通式可表示为Mn+1XnTx(其中M为早期过渡金属元素，X代表碳或氮元素，T则为表面附着的活性基团)。MXene具有高比表面积，其层间距和组分可调可控，表面丰富的-OH、-O等亲水性官能团，使得其在水溶液中能够良好的分散。以MXene为基质构建的纳米复合膜，具有很强的可塑性和柔韧性。2015年，MXene二维材料的发现者YuryGogotsi教授课题组首次报道了MXene膜的制备及应用，打开了MXene材料通往膜分离世界的大门。他们发现微米厚度的MXene膜比GO膜亲水性更强，水分子的渗透过程更加迅速，且在电荷效应和层间距(约)的作用下，MXene膜展现出了更高的截留率和选择性。此外，华南理工大学王海辉教授课题组通过真空抽滤的方法在阳极氧化铝(AAO)基材上构筑出二维MXene膜，并采用氢氧化铁纳米颗粒对其进行造孔处理。他们构筑的膜渗透通量高达1000L/(m2·h·bar)，对水中粒径大于2.5nm的污染物截留率超过90％。这项研究为制备兼具高渗透通量和选择性的MXene膜提供了良好的思路。何毅课题组曾报道了一种新型的PDA-RGO复合膜的制备。他们首先利用多巴胺(DA)与hummer法制备的石墨烯(GO)发生还原反应，制备出还原氧化石墨烯(RGO)；随后以孔径为0.22微米的醋酸纤维膜(CA)作为支撑层，采用真空抽滤的方式将还原氧化石墨烯(RGO)分散液堆叠在CA膜上，制备出新型的PDA-RGO复合膜。他们的研究表明，通过多巴胺反应之后制备的还原氧化石墨烯(RGO)的层间距要大于氧化石墨烯(GO)，从而为水分子的渗透提供了更大的通道，最终表现为膜通量的大幅度提高，并且膜对染料的截留率也有提升。但是上述工艺存在如下不足：①直接将还原氧化石墨烯(RGO)抽滤在膜表面，无法确定膜堆叠的是否均一，没有通过表征或者理论计算来定量判断RGO和GO层间距的变化，因此无法实现膜的精准构筑和定向调控。②随着多巴胺改性后层间距的扩大，增加了在支撑层CA膜上的RGO脱落的风险，因此最终制备的PDA-RGO复合膜机械性能会降低。膜在实际过程中的会受到待分离液体的反复冲击，导致最终膜结构的破环，膜使用寿命的缩短，分离成本的升高。③醋酸纤维膜(CA)材料本身不耐酸耐碱，机械性也较差，因此以醋酸纤维(CA)膜作为支撑层构筑的PDA-RGO复合膜，针对高酸碱性、高温或者高盐废水的处理，基本不具有实际应用价值。Zhangshouhai课题组曾报道了新的MXene/聚醚砜(PES)复合膜的制备。其首先采用氢氟酸(HF)对MAX相(Ti3AlC2)进行处理，剥离出其中的Al原子层，从而得到一种新型二维过渡金属碳化物MXene(Ti3C2Tx)片层材料。随后，以截留分子量(MWCO)为10000道尔顿的聚醚砜(PES)超滤膜作为支撑层，采用真空抽滤的方法将MXene分散液抽滤到PES基材上，制备出了新的MXene/PES复合膜，复合膜的亲水性的得以增强，并对水中染料分子和盐离子有良好的去除效果，并探究了新型膜的亲水性、渗透通量、截留能力等性能。针对Zhangshouhai课题组的报道，依旧存在下述问题：①采用HF溶剂刻蚀处理，可以有效地从MAX相中剥离得到片层结构清晰的MXene材料。然而，用以充当膜分离层的MXene通常是单层或者少层的，因此HF刻蚀制备的MXene材料容易导致膜分离机理不明确，堆积结构不紧密、易脱落等缺点。②MXene分离层的厚度太厚。该技术显示最适宜的MXene含量为0.2g，这显然导致MXene分离层太厚，无法判定MXene对水中污染物分子进行分离的分离机理。③MXene其本身表面的官能团较单一，单纯的MXene/PES复合膜性能还有待进一步提高，如文中复合膜对盐离子的截留率很低，仅有10％左右，因此需要对MXene进行微观调控。综上所述，一种结构稳定、高渗透通量等综合性能全面的新型多功能RGO/MXene复合膜是本行业急需的。
技术实现思路
基于上述分析，本专利技术的专利技术目的是构筑出结构稳定、高渗透通量等综合性能全面的新型多功能RGO/MXene复合膜。通过DA对GO进行还原处理，制备出RGO；通过LiF和HCl混合溶液对MAX进行剥离，得到片层结构清晰的二维MXene材料；将MXene分散溶液和RGO分散溶液超声混合，通过真空抽滤的方式在PVDF膜基材上构建出RGO/MXene复合膜，将其用于工业废水的处理。专利技术详细探究了RGO和MXene两种材料的协同成膜机理和分离机理，为进一步拓宽MXene的使用范围、开发和构筑更多新型高性能膜材料提供一些借鉴意义。从膜材料本身结构的改善角度出发，提高膜的处理效率和循环使用性，最终达到降低工业废水处理成本的现实目的。本专利技术是通过如下技术手段实现的：一种新型RGO/MXene复合膜的制备方法，包括如下步骤：(1)制备MXene粉末：将Ti3AlC2和LiF粉末加入到摩尔分数为9M的HCl溶液中，并行磁力搅拌，随后将产物用去离子水离心洗涤，直至溶液上清液pH值至6；接着将沉淀物剧烈摇晃10min，再进行离心处理；将上层悬浮液在40℃真空干燥箱中烘干，得MXene粉末备用；(2)制备RGO粉末：GO碎片置入烧杯中，加入去离子水行超声分散；随后再取盐酸多巴胺加入烧杯中，并将其混合物在室温下搅拌1h；加入Tris-HCl后，用氢氧化钠调节混合液pH值，待混合物在室温下搅拌24h，即得RGO粉末备用；(3)制备RGO/MXene复合膜：取MXene粉末和RGO粉末分别加入到250ml烧杯中，分别加入100ml去离子水于室温下超声分散30min，按比例将溶液两两混合，再在室温下超声30min构成前驱体溶液；采用真空抽滤将前驱体缓慢的抽滤到PVDF膜上，即得一种新型RGO/MXene复合膜。进一步的，步骤(1)所述Ti3AlC2粉末用量为1g，LiF粉末用量为1g，HCl溶液用量为10ml。进一步的，步骤(1)所述磁力搅拌时间为24h，磁力搅拌温度为35℃。进一步的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型RGO/MXene复合膜的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n(1)制备MXene粉末：将Ti

【技术特征摘要】
1.一种新型RGO/MXene复合膜的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)制备MXene粉末：将Ti3AlC2和LiF粉末加入到摩尔分数为9M的HCl溶液中，并行磁力搅拌，随后将产物用去离子水离心洗涤，直至溶液上清液pH值至6；接着将沉淀物剧烈摇晃10min，再进行离心处理；将上层悬浮液在40℃真空干燥箱中烘干，得MXene粉末备用；
(2)制备RGO粉末：GO碎片置入烧杯中，加入去离子水行超声分散；随后再取盐酸多巴胺加入烧杯中，并将其混合物在室温下搅拌1h；加入Tris-HCl后，用氢氧化钠调节混合液pH值，待混合物在室温下搅拌24h，即得RGO粉末备用；
(3)制备RGO/MXene复合膜：取MXene粉末和RGO粉末分别加入到250ml烧杯中，分别加入100ml去离子水于室温下超声分散30min，按比例将溶液两两混合，再在室温下超声30min构成前驱体溶液；采用真空抽滤将前驱体缓慢的抽滤到PVDF膜上，即得一种新型RGO/MXene复合膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Ti3AlC2粉末用量为1g，LiF粉末用量为1g，HCl溶液用量为10ml。


3.根据权利要求1所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾广勇，严钧，杨登磊，曾向东，魏柯，何双江，詹迎青，张俊，万昕艺，杨强斌，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：四川;51