一种二维MXene基油水分离膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维MXene基油水分离膜及其制备方法，属于材料领域。通过TA在ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种二维MXene基油水分离膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料领域，具体涉及一种二维MXene基油水分离膜的制备方法以及采用该制备方法制得的二维MXene基油水分离膜。

技术介绍

[0002]工业和日常活动中排放的含油废水污染正在危害生态环境和人类健康。在大多数情况下，含油废水的成分非常复杂，因为它们不仅含有不溶性油类，还含有各种可溶性有机污染物和重金属离子。因此，含多种污染物的含油废水的综合处理是废水处理领域的热点之一。迄今为止，膜技术因其操作简便、效率高、能耗低等优点在含油废水处理领域引起了极大的关注。然而，大多数商业膜是基于聚合物的，它们固有的疏水性通常会导致严重的膜污染，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。
[0003]MXene作为一种新型的2D过渡金属碳化物或氮化物纳米材料，一般是通过化学刻蚀等方法选择性去掉MAX相(Ti3AlC2)中的Al原子层而制备的。MXene的其化学通式可表示为M
n+1
X
n
T
x
(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为基材构建的纳米复合膜，具有很强的可塑性和柔韧性。自2011年由Gogotsi和Barsoum开发以来受到越来越多的关注。由于其柔韧性、优异的结构稳定性和高导电性，MXene被广泛应用于超级电容器和析氢反应。最近，一些报道发现具有天然亲水性的Mxene在油水和染料分离领域显示出作为二维材料的潜在候选者。例如，Ren等人，制备出了微米级厚度的MXene膜，纯水通量为37.4L
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‑1。通过布拉格方程计算出MXene的层间距约为0.6nm，因此MXene膜对于水合半径大于0.6nm且带正电的染料分子具有较高的截留能力；而对于水合半径小于0.6nm的低价盐离子，其渗透速率则与电荷大小呈负相关。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
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‑1，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。
[0004]由此可见，二维材料MXene在膜分离材料构建领域具有广阔的理论研究和实际废水处理前景。目前的二维MXene在膜分离材料的制备中包括如下几种情形：
[0005](一)Li课题组曾报道了新的MXene/聚醚砜(PES)复合膜的制备，采用氢氟酸(HF)刻蚀法，刻蚀MAX相(Ti3AlC2)，剥离出其中的Al原子层，制备出MXene(Ti3C2T
x
)片层材料。通过真空抽滤装置(以聚醚砜PES膜作为支撑层)开发了超薄MXene膜(～30nm)，具有较低的油粘附和对油的高截留率(滤液渗透率：437
‑
540L
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‑1和截留率>99％)。但该技术具有如下问题：1.采用HF溶剂刻蚀处理，由于HF酸溶液极强的腐蚀性，大量使用将对人类健康和周围环境构成巨大威胁。且HF刻蚀法，刻蚀原理尚未清晰，剥离出的片层往往为单片层结构，堆积往往不够紧密，易于脱落，堵塞孔径。2.复合膜通量过低，单纯的 MXene/PVDF复合
膜性能还有待进一步提高，如文中复合膜的通量仅仅为437
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540L
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‑1，用于处理废弃含油废水是远远不够的。因此需要进一步对其进行改性。3.抗污染性能差。在膜长期渗透过程中，废水中被截留的可溶性小分子以及微生物等污染物，会在膜表面或内部造成不可逆沉积，存在吸附、沉淀、堵孔等现的发生。因此要将MXene复合膜应用于实际，进一步提高MXene膜在废水处理过程中的抗污染能力，以延长其使用寿命，仍然是最关键的问题。
[0006](二)Hu课题组曾报道了一种运用TA改性ZIF
‑
8的方法，将中空特征的金属
‑
有机骨架(MOF)，通过协同蚀刻和使用酚酸的表面功能化。在不破坏母体晶体框架的情况下，在各种类型的多孔结构中产生了宏观空腔。改性后的纳米粒子同时被金属
‑
酚醛膜覆盖。这种涂层赋予多官能团功能模块。ZIF
‑
8与T
‑
ZIF
‑
8的TEM图像对比表明，离子中间空腔的位置得到了很好的控制，蚀刻过程没有改变内部结构，同时使得水传输通道变多，表面亲水性明显上升。但该技术只赋予了纳米离子的亲水性，但由于其是立方晶体结构无法自己成膜。其次，粉末在水中容易团聚，在最后抽滤成膜时，容易发生成膜效果不佳。
[0007]基于上述分析，一种MXene膜使用范围更广泛，材料的渗透通量更高、抗污染性能更强的油水分离复合膜是目前行业内急需的。

技术实现思路

[0008]鉴于上述不足，本专利技术以扩大MXene膜使用范围为需求导向，构筑出基于MXene材料的高渗透通量、抗污染性强的综合性能全面的新型油水分离复合膜。通过TA在ZIF
‑
8表面构筑表面金属
‑
酚醛涂层改性方法制备出T
‑
ZIF
‑
8纳米颗粒；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T
‑
ZIF
‑
8分散溶液超声混合，以CA膜为支撑层通过真空抽滤的方式构建出T
‑
ZIF
‑
8@MXene复合膜，将其用于工业废水中油水分离。本专利技术探究了T
‑
ZIF
‑
8与MXene两种材料协同作用对含有废水中油滴的筛分机理，创新性的将两种材料结合起来，构筑出了一种具有高渗透通量，抗污染性强的油水分离复合膜，打破了MXene膜仅能用于可溶性小分子的分离，揭示了新型二维MXene膜的设计和制造及其在油水乳液分离中的功效。此类膜在复杂化学条件下的高度稳定性以及此类膜的可回收性也已得到证实。同时具有高处理效率和循环使用性，从而实现降低工业废水处理成本同时提高处理效率的目的。
[0009]本专利技术是通过如下方法实现的：
[0010]一种二维MXene基油水分离膜的制备方法，包括：
[0011](1)MXene的制备：采用HCl和LiF共蚀刻MAX(Ti3AlC2)相获得具有层状结构的MXene(Ti3C2T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维MXene基油水分离膜的制备方法，包括：(1)MXene的制备：
①
取0.5g LiF和20mL 9M HCl混合搅拌0.5h，制成蚀刻液备用；
②
将0.5g MAX加入蚀刻液中，并在30℃下连续搅拌24h；
③
反应结束后，收集沉淀用去离子水洗涤数次，反复离心直至溶液pH值为6.0，得到样品备用；
④
将样品分散于200mL去离子水中，室温超声搅拌6h，反应结束后将超声获得的悬浮液离心处理，以去除未剥皮的薄片；
⑤
收集上清液并冷冻干燥，得到MXene备用；(2)T
‑
ZIF
‑
8的制备：
①
将0.3g ZIF
‑
8加入100mL去离子水中，超声搅拌20min，然后加入0.1g TA搅拌，得到第一溶液备用；
②
第一溶液反复离心收集沉淀，沉淀用去离子水多次洗涤后干燥，得到T
‑
ZIF
‑
8备用；(3)二维MXene基油水分离膜的构筑：
①
把T
‑
ZIF
‑
8加入MXene中，超声处理，得到均匀分散的T
‑
ZIF
‑
8/MXene分散液；
②
将T
‑
ZIF
‑
8/MXene分散液通过真空过滤装置过...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾广勇，王宏山，杨冉冉，刘永聪，林清泉，颜贵龙，张立屹，周印洁，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：