多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备方法，通过浓酸化学刻蚀氧化石墨烯纳米片实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔，主要是以浓酸、氧化石墨烯为基础材料，在超声破碎力的作用下，浓酸可以与氧化石墨烯现有缺陷位和边缘部位的不饱和碳原子发生反应，导致部分碳原子从氧化石墨烯片上脱离，最终实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔。通过真空辅助自组装的过程，将制备得到的多孔氧化石墨烯纳米片抽滤至基膜上得到多孔氧化石墨烯纳滤膜。本发明专利技术制备方法简捷，相较于氧化石墨烯膜，膜的纯水渗透通量从20.0Lm

【技术实现步骤摘要】
多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备方法，属于膜分离


技术介绍

[0002]随着人口的增长，水资源短缺已经成为21世纪全球范围内仅次于能源供应的第二大挑战，水质恶化是人类面临的共同挑战。全球约有12亿人面临引用水不足等问题。与此同时，水资源不足正严重威胁着食品、能源等行业，关系着人类的生产生活与生存环境。随着社会的发展与经济增长、人类生活水平的提高，人类活动愈加频繁，水生态环境的破坏与水资源短缺的问题日趋严峻，因此，水资源的资源化开发和利用，成为现代工业可持续发展的迫切需求。
[0003]近年来，为了应对全球水污染挑战，压力驱动的水处理膜已逐步得到开发，是水处理应用中最常见的一种膜技术。压力驱动膜技术在处理得到高质量水的同时，具有操作方便、结构紧凑、抗冲击能力强、化学储槽和给水设施小、化学排放量低等优点。对于压力动的膜，根据孔径的不同，可分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜与反渗透膜。微滤膜的孔径一般在50nm以上，可用于水中悬浮固体、微生物和细菌的去除。超滤膜孔径在2
‑
50nm之间，可用于油水分离、病毒和一些凝胶的去除。纳滤膜具有约2nm左右的孔径，常用于去除染料等水溶性有机物。反渗透膜孔径在1nm以下(约0.3
‑
0.6nm)，广泛应用于脱盐和超纯水的生产过程。
[0004]全球在纺织、橡胶、造纸、皮革鞣制等领域使用的染料种类超过10000种，年生产能力7
×
105吨。我国染料年产量约为15万吨，是印染纺织业的第一大国，而10％
‑
15％以废水形式排出。以纺织业为例，生产1吨产品，平均可产生约300m3的废水。据不完全统计，全国印染废水每天排放量约为3
×
106m3。染料分子被认为是印染废水最大的污染源，直接排放有颜色的印染废水进入淡水体系会对水的透明度和氧含量有一定影响，而且染料具有分子结构高度复杂、分子量高，生物降解性低，致突变性和致癌性的特点，对水体中存在的动植物有毒副作用。因而，考虑节能减排的需要，若通过纳滤膜技术将此部分废水进行回收再利用，一方面可减少染料污染及危害，另一方面可有效节约印染行业的用水量。
[0005]氧化石墨烯(GO)具有强机械性能、高比表面积和柔韧性、超低水传质阻力以及易于规模化生产等优异特性。自2007年首次报道以来，GO膜被广泛的应用到气体分离、电池、水处理和海水淡化等领域。二维的层状结构，在GO层间形成独特的二维纳米孔道，允许分子或离子选择性通过。为了提高氧化石墨烯膜的通量，研究者们开展了两方面的探索。一调控片层间距，二是是调控通道长度。为了优化GO膜的层间距，以实现不同的分离目的，研究者们设计了多种具有不同物理化学性质的插层剂，包括离子和小分子、聚合物、纳米材料等。但是针对调控通道长度，降低通道长度来增加氧化石墨烯的通量的研究较少，一是降低膜厚度，研究证明膜的通量随厚度的降低，即通道长度的降低呈指数增加，现已制备出了厚度仅为8nm的氧化石墨烯膜。进一步降低膜的厚度，由于氧化石墨烯自身直径远大于1nm的缺陷孔，很容易使制得的膜产生贯穿的无选择性的缺陷。另一种方法是使用离子轰击或者化学刻蚀，但这种方法价格昂贵，对反应条件要求较高，且产生的孔隙率较低，在每百平方纳
米尺寸的面积内仅有一个孔，且孔径不均。但即使是这样的孔隙率下，膜的通量显著提升，因此证明通过降低通道长度来增加氧化石墨烯膜的通量是有效的。因此，如果能够通过廉价且高效的造孔方式，制备出具有多孔结构的氧化石墨烯膜，在水处理领域具有广泛的应用前景。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备方法，该制备方法过程简单便捷且容易操作，制备得到的多孔氧化石墨烯纳滤膜相较于纯的未改性的氧化石墨烯膜具有较高的渗透通量，同时对甲基蓝、刚果红、铬黑T及阿尔新蓝的截留率都在95％以上，实现了具有优异分离性能的多孔氧化石墨烯的制备。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供的多孔氧化石墨烯膜的制备方法，通过浓酸化学刻蚀氧化石墨烯纳米片实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔，制备得到多孔氧化石墨烯纳米片；通过真空辅助自组装的过程，将上述得到的多孔氧化石墨烯纳米片抽滤至基膜上得到多孔氧化石墨烯纳滤膜。
[0008]进一步讲，通过浓酸化学刻蚀氧化石墨烯纳米片实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔是：以浓酸和氧化石墨烯为基础材料，在超声破碎力的作用下，浓酸与氧化石墨烯存在的不饱和碳原子发生反应，从而使部分碳原子从氧化石墨烯片上脱离，最终实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔。
[0009]本专利技术所述的多孔氧化石墨烯膜的制备方法，具体步骤如下：
[0010]步骤一、通过化学浓酸刻蚀的方法，将浓酸与浓度为0.5mg/mL
‑
2.5mg/mL的氧化石墨烯分散液在搅拌下混合，其中，所述氧化石墨烯分散液与浓酸的体积比为1:1～1:10；将该混合物超声反应0.5
‑
2h后，放于室温下静置，然后通过离心分离的方式去除其中的浓酸，所得即为多孔氧化石墨烯纳米片，干燥后备用；
[0011]步骤二、将步骤一得到的多孔氧化石墨烯纳米片制备成浓度为0.5mg/mL的多孔氧化石墨烯纳米片水分散液，取一定量的多孔氧化石墨烯纳米片水分散液，通过真空辅助自组装的过程抽滤到基膜上，将其放置于烘箱干燥后，得到多孔氧化石墨烯纳滤膜。
[0012]进一步讲，所述的浓酸为浓硫酸、浓硝酸、浓磷酸的任意一种或组合。
[0013]所述的基膜材料为聚醚砜、混合纤维素、醋酸纤维素、聚碳酸酯中的任意一种。
[0014]氧化石墨烯分散液与浓酸混合物在超声的条件下的反应时间优选为2h。
[0015]本专利技术制备得到的多孔氧化石墨烯纳滤膜，纯水渗透通量为30.5
‑
120.9Lm
‑2h
‑1bar
‑1，且对甲基蓝、铬黑T、刚果红及阿尔新蓝四种染料的截留率均大于95％。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017]本专利技术多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备，过程简单便捷且容易操作，所制备的纳滤膜相较于纯的氧化石墨烯纳滤膜，渗透通量有显著提升；且相较于传统高分子纳滤膜，多孔氧化石墨烯纳滤膜克服了传统高分子纳滤膜的膜厚度大、水传递通道不规整等问题。该方法制备得到的纳滤膜可以用于染料分离领域，并且具有广阔的水处理应用前景。
附图说明
[0018]图1为实施例1所制备的p
‑
GO
‑
1膜和氧化石墨烯膜GO的分离性能图；
[0019]图2是实施例2所制备的p
‑
GO
‑
2膜和氧化石墨烯膜GO的分离性能图；
[0020]图3为实施例3所制备的p
‑
GO
‑
3膜和氧化石墨烯膜GO的分离性能图；
[0021]图4是实施例4所制备的p
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔氧化石墨烯纳滤膜的制备方法，其特征在于，通过浓酸化学刻蚀氧化石墨烯纳米片实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔，制备得到多孔氧化石墨烯纳米片；通过真空辅助自组装的过程，将上述得到的多孔氧化石墨烯纳米片抽滤至基膜上得到多孔氧化石墨烯纳滤膜；该膜的纯水渗透通量为30.5
‑
120.9Lm
‑2h
‑1bar
‑1，且对甲基蓝、铬黑T、刚果红及阿尔新蓝四种染料的截留率均大于95％。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过浓酸化学刻蚀氧化石墨烯纳米片实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔是：以浓酸和氧化石墨烯为基础材料，在超声破碎力的作用下，浓酸与氧化石墨烯存在的不饱和碳原子发生反应，从而使部分碳原子从氧化石墨烯片上脱离，最终实现对氧化石墨烯纳米片的面内造孔。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、通过化学浓酸刻蚀的方法，将浓酸与浓度为0.5mg/mL
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2.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜忠义，关景元，张润楠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：