一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米膜材料技术领域，具体涉及一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法。本发明专利技术还提供了所述二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜在水处理中的应用。本发明专利技术的二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜，通过在纳滤膜中构筑层间距在1nm以下且埃级别可控的疏水孔道，不仅可以有效阻隔各种水合离子（包括K

【技术实现步骤摘要】
一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米膜材料
，具体涉及一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]相较于传统蒸馏法，利用水处理膜技术进行水净化处理，具有杂质分离效率高、处理过程能耗较低、成本可控等优势，在海水淡化、家庭用水净化、工业废水处理等领域中有着广泛的应用。随着水处理膜技术的发展，不同的应用领域对水处理效率以及降低水处理过程能量损耗提出了更高要求，因此，急需开发出新型的、可同时具备大水通量和高离子阻隔性的水处理膜技术。
[0003]目前，水处理膜按膜内孔径大小主要分为微滤膜(0.1～10μm)、超滤膜(10～100nm)、纳滤膜(1～10nm)和反渗透膜(0.1～1nm)四种类型。随着膜内孔径的减小，水被净化的程度越来越高。具体表现为，利用微滤膜可以除去绝大部分悬浮颗粒以及微生物等；利用超滤膜可以去除绝大部分高分子以及病毒；利用纳滤膜可以除去绝大部分有机小分子和二价离子；而利用反渗透膜则基本可以除去所有离子，包括一价碱金属离子。
[0004]同时，净化得到高纯度的水，一般都要进行一次或者多次的反向渗透过程。反渗透膜一般由高分子材料制备而成，比如现在商用的反渗透膜一般采用薄膜复合型材料(TFC)，例如聚酰胺膜材料。由于反渗透膜利用极小的孔径尺寸来阻挡一价离子等杂质，同时，此极小的孔径同时也会对水分子的渗透产生阻碍作用，因此需要对膜的两侧施加较大的压力(一般为10～60bar)，让水分子克服浓度差所产生的渗透压和小孔径所产生的阻力而穿过反渗透膜，同时留下离子等杂质，达到净化水的效果。此过程中，额外施加的压力越高意味着水处理过程能量损耗越大，而水通量(水分子通过膜的速度)越小则意味着水处理的效率越低。
[0005]与之不同的是，纳滤膜由于孔径略大于反渗透膜，其两边所需施加的压力远远小于反渗透膜(5～10bar左右)，水通量也相对较大，但缺点则是纳滤膜的孔径略大，对于一价离子的阻隔效果较差。
[0006]所以，如何兼顾高水通量和高离子阻隔是水处理膜领域的瓶颈问题，基于此，本申请提供一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜，通过对纳滤膜的结构进行改进，以期实现阻隔水中离子的同时，还能获得超高的水通量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜，通过在纳滤膜中构筑层间距在1nm以下且埃级别可控的疏水孔道，不仅可以有效阻隔各种水合离子(包括K
+
、Na
+
、Li
+
、Ca
2+
、Mg
2+
等)，还能通过二维纳米限域内极大的毛细作用力，获得超高的水通量，有效解决离子阻隔率和水通量不能同时提高的瓶颈
问题。
[0008]本申请还提供了所述二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜的制备方法。
[0009]为了实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料，其中二维纳米岛结构可以为但不限于Ni
‑
对苯二胺盐酸盐(Ni
‑
pPD)、Cu
‑
对苯二胺盐酸盐(Cu
‑
pPD)、Ni
‑
六氨基苯(Ni
‑
HAB)、Cu
‑
六氨基苯(Cu
‑
HAB)、石墨炔(GDY)、Cu
‑
六巯基苯(Cu
‑
BHT)、或二维共价有机框架。
[0011]具体的，本专利技术通过氧基团催化反应将二维纳米岛材料生长在石墨烯的表面，制备得到具有疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料，所制备得到的异质结材料中二维纳米岛材料并不完全覆盖石墨烯表面，具有一定的孔隙率，所述二维纳米岛材料与石墨烯的面积比为10～70％。
[0012]优选的，二维纳米岛与石墨烯的面积比为40～50％。
[0013]具体的，所制备得到的疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料中，二维纳米岛的接触角为60～120
°
，二维石墨烯的接触角为60～90
°
；优选的，二维纳米岛的接触角为80～90
°
。
[0014]具体的，本专利技术还提供上述疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料的制备方法，通过在二维纳米岛前驱体材料水溶液中加入氧化石墨烯悬浮液和可溶性金属离子，利用氧化石墨烯表面氧基团的催化，在氧化石墨烯氧基团表面原位生长成二维纳米岛，与此同时还原氧化石墨烯表面氧基团，而氧化石墨烯表面没有氧基团的区域则保留原始石墨烯的形态，从而制备出二维纳米岛@石墨烯异质材料。
[0015]所述制备方法包括如下步骤：
[0016](1)配置反应溶液：将氧化石墨烯(GO)悬浮液加入到可溶性金属盐溶液中，并通入惰性气体以去除氧气，得到溶液A；
[0017](2)将二维纳米岛前驱体材料溶解到水中，并通入惰性气体以去除氧气，得到溶液B，保证二维纳米岛前驱体材料的反应只在氧化石墨烯(GO)的氧基团表面进行；
[0018](3)将溶液B加入到溶液A中，进行氧基团催化反应，反应温度为
‑
30～150℃，反应时间为0.5～96h，抽滤，洗涤，制备得到疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料。
[0019]具体的，步骤(1)中可溶性金属盐溶液为镍的可溶性金属盐溶液或铜的可溶性金属盐溶液。
[0020]具体的，步骤(1)中氧化石墨烯(GO)悬浮液的浓度为0.1～5mg/mL，优选为0.2～1mg/mL。
[0021]具体的，步骤(2)中所述二维纳米岛前驱体材料为对苯二胺盐酸盐、对苯二胺盐酸盐、六氨基苯、六氨基苯、石墨炔或六巯基苯。
[0022]具体的，步骤(2)中溶液B的浓度为0.1～1mol/L，优选为0.1～0.5mol/L。
[0023]具体的，步骤(1)、(2)中所使用的惰性气体为氩气或氮气，惰性气体通入时间为0.1～24小时，优选为0.5～2小时。
[0024]具体的，步骤(3)中溶液B和溶液A的体积比为(0.1～10)：1。
[0025]具体的，步骤(3)中氧基团催化反应过程中通过搅拌加速反应的进行，优选磁力搅拌方式，搅拌速率为10～1000rpm，优选为300～500rpm。
[0026]具体的，步骤(3)中氧基团催化反应的温度优选为10～110℃；反应时间优选为5～
20小时。
[0027]具体的，步骤(3)中抽滤可以采用常压抽滤或者真空抽滤，抽滤时间1～48h；洗涤时使用的洗液为去离子水或有机溶剂，所述有机溶剂包括但不限于乙醇、丙酮或甲醇。
[0028]具体的，步骤(3)中得到的二维纳米岛的结构可以为但不限于Ni
‑
对苯二胺盐酸盐(Ni
‑
pPD)、Cu
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料，其特征在于，通过氧基团催化反应，将二维纳米岛材料生长在石墨烯的表面，制备得到具有疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料，所述二维纳米岛材料与石墨烯的面积比为10～70%。2.如权利要求1所述的疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料，其特征在于，所制备得到的疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料中，二维纳米岛的接触角为60～120
°
，二维石墨烯的接触角为60～90
°
。3.权利要求1或2所述的疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将氧化石墨烯悬浮液加入到可溶性金属盐溶液中，并通入惰性气体以去除氧气，得到溶液A；（2）将二维纳米岛前驱体材料溶解到水中，并通入惰性气体以去除氧气，得到溶液B；（3）将溶液B加入到溶液A中，进行氧基团催化反应，反应温度为
‑
30～150℃，反应时间为0.5～96h，抽滤，洗涤，制备得到疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料；步骤（1）中可溶性金属盐溶液为镍的可溶性金属盐溶液或铜的可溶性金属盐溶液；步骤（2）中所述二维纳米岛前驱体材料为对苯二胺盐酸盐、对苯二胺盐酸盐、六氨基苯、六氨基苯、石墨炔或六巯基苯。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.1～5mg/mL；步骤（2）中溶液B的浓度为0.1～1mol/L；步骤（1）、（2）中所使用的惰性气体为氩气或...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔鑫炜，许群，张凌，刘晓鹏，张倩，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：