一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法技术

一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法，属于纳滤膜制备领域。利用GO上羧基在水溶液中电离带负电的性质，通过荷负电的GO与聚电解质之间的静电相互作用来组装更加牢靠的GO层状膜，通过交联剂EDA调节GO膜的层间距和交联水平。制备方法中使用HPEI、EDA或PEI，研究不同添加剂对纳滤膜表面形貌及性能的影响。制备的膜在亲水性、水通量和溶质截留等性能上均表现出显著的提升。基于层层自组装技术的膜制备工艺高效易行，制备的膜厚度可控，可满足多场合的分离要求，具有工业放大的应用潜力。具有工业放大的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法


[0001]本专利技术属于纳滤膜制备领域，具体是涉及利用聚醚砜超滤膜为基膜，运用氧化石墨烯与三种不同的有机添加剂的一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法。

技术介绍

[0002]膜广泛存在于生物体内，是两相间的不连续区间，具有选择分离性。膜分离技术最初用于海水淡化，自上世纪中期开始迅速发展，目前已成为一种重要的分离方法，广泛应用于环保、石化、生化、水处理、食品加工、脱色等领域。利用推动力如浓度差、压强差、电位差，膜分离在分子范围内实现两种或多种组分流体(液态或气态)的分离、提纯和浓缩等，具有无相变、高效、绿色、节能、条件温和、便于回收等优势。
[0003]根据膜孔径大小，膜分离技术可分为微滤、超滤、纳滤和反渗透。纳滤的分离效果介于超滤和反渗透之间，膜孔径小于微滤和超滤，比超滤、微滤分离效果更优；相比于高操作压力(通常1.5～10.5MPa)的反渗透，纳滤的跨膜压差低、经济性高。因纳滤技术具有分离性能优、稳定性高、节能等特点，已广泛应用于处理工业及生活废水、水软化、小分子有机物的回收或去除等，对纳滤膜性质及工业应用的探究已经成为新的研究热点。在纳滤膜的制备方法方面，目前包括界面聚合法、L
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S相转换法、化学改性法、层层自组装法等等，其中层层自组装(Layer
‑
by
‑
Layer self
‑
assembly,LBL)技术作为一种正在飞速发展的新技术，在化学、物理、生物、材料、纳米科学和医学等领域发挥着日益重要的作用，不断推进科技的进步和经济的发展。
[0004]层层组装法(layer
‑
by
‑
layer，LBL)是一种多层膜构筑技术，利用纳米材料/聚电解质之间的非共价键相互作用力或共价键连接实现单元交替沉积构筑逐层组装多层膜。与其它制膜方法相比，层层组装成膜方法相对简单且环境友好。
[0005]氧化石墨烯(GO)是具有独特的二维结构，机械性能强，能够稳定地分散在水溶液中。GO纳米片利用静电、氢键、范德华力、π
‑
π堆积作用等非共价键相互作用力实现高效堆叠，是很有潜力的膜技术材料。Wansuk Choi等将带负电的GO和带正电的氨基化GO(AGO)通过层层组装方式对PA
‑
TFC RO膜进行表面改性。经过10次层层组装循环后，PA
‑
TFC
‑
GO膜表面粗糙度由46.5nm减小到21.5nm，而接触角则由70.6
±
2.4
°
减小到25.9
±
3.0
°
，通过改善膜亲水性和平滑度，增强膜抗污染和耐氯性能(ACS Appl.Mater.Interfaces 2013,5,23,12510
–
12519)。尽管GO在膜技术中的应用得到较为充分的研究，但仍然存在相容性差、渗透通量较低等关键问题有待解决。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有研究技术的空白，提供一种适用范围宽、具有良好纳滤性能的氧化石墨烯(GO)复合纳滤膜，并提供一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法。
[0007]本专利技术包括以下步骤：
[0008]1)称取一定质量的片状GO，研磨后加入纯水配制80mL GO溶液，超声后得到GO分散液；
[0009]2)称取一定量聚电解质添加剂，加水磁力搅拌配制80mL添加剂溶液，搅拌1h；
[0010]3)将GO分散液和添加剂溶液混合作为压滤溶液，搅拌均匀倒入超滤杯，在1.6bar下加压过滤，透过液体积为125mL时停止加压，干燥膜片。
[0011]在步骤1)中，所述GO溶液浓度最优条件为0.1～0.2mg/mL；所述超声的频率可为40
±
2kHz，超声时间1h。
[0012]在步骤2)中，所述聚电解质添加剂可采用聚乙烯亚胺(PEI)、聚乙烯亚胺(HPEI)或乙二胺(EDA)；所述加水磁力搅拌的转速可为600rpm，搅拌时间1h；当聚电解质添加剂采用PEI时，自组装层厚度为524.8～971.4nm，水渗透通量为150～615L
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‑1；当聚电解质添加剂采用HPEI时，膜水通量为1350L
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‑2·
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bar
‑1，对伊文思蓝的留率近100％。
[0013]在步骤3)中，所述干燥膜片可在60℃，真空度为
‑
0.9bar条件下干燥膜片1h。
[0014]本专利技术提供一种复合纳滤膜，采用上述方法以氧化石墨烯和不同聚电解质添加剂为制膜材料用层层自组装法制备得到。
[0015]本专利技术的设计思想是：GO片层间通过氢键、范德华力等非共价键相互作用力可以实现层层自组装，但利用非共价键相互作用力组装而成的GO层状膜在实际分离过程中的稳定性和持久性较差。因此，利用GO上带负电的羧基与聚电解质之间的静电相互作用来组装更加牢靠的GO层状膜。同时，柔性聚电解质的引入有望增强自组装材料和基膜的相容性。
[0016]本专利技术利用层层自组装技术，以GO和不同添加剂制备复合纳滤膜。得出最佳制膜条件：GO浓度为0.2mg/mL下，聚电解质添加剂使用聚乙烯亚胺(PEI)时，该膜对伊文思蓝的截留率可达95.4％；聚电解质添加剂使用HPEI或添加交联剂EDA后，膜亲疏水性、水通量、伊文思蓝截留率均有明显差别，其中聚电解质添加剂为HPEI的膜水通量为1350L
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‑1，对伊文思蓝的留率近100％，各项性能表现出显著的提升。
[0017]本专利技术利用层层自组装技术，在PES基膜上组装GO和不同添加剂制备纳滤膜，研究不同制备条件对GO层状膜分离性能的影响，并进行形貌表征。
[0018]本专利技术包括：
[0019]1)层层自组装技术堆叠聚电解质PEI与GO；
[0020]2)层层自组装技术堆叠聚电解质HPEI与GO；
[0021]3)层层自组装技术堆叠交联剂EDA与GO。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的特点和有益效果是：
[0023]本专利技术利用GO上羧基在水溶液中电离带负电的性质，通过荷负电的GO与聚电解质之间的静电相互作用来组装更加牢靠的GO层状膜，通过交联剂EDA调节GO膜的层间距和交联水平。制备方法中使用聚电解质HPEI或交联剂EDA代替PEI，研究不同添加剂对纳滤膜表面形貌及性能的影响。制备的膜在亲水性、水通量和溶质截留等性能上均表现出显著的提升。PEI为聚电解质添加剂时自组装层厚度为524.8～971.4nm，水渗透通量为150～615L
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)称取一定质量的片状GO，研磨后加入纯水配制80mL GO溶液，超声后得到GO分散液；2)称取一定量聚电解质添加剂，加水磁力搅拌配制80mL添加剂溶液，搅拌1h；3)将GO分散液和添加剂溶液混合作为压滤溶液，搅拌均匀倒入超滤杯，在1.6bar下加压过滤，透过液体积为125mL时停止加压，干燥膜片。2.如权利要求1所述一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述GO溶液浓度为0.1～0.2mg/mL。3.如权利要求1所述一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述超声的频率为40
±
2kHz，超声时间1h。4.如权利要求1所述一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述聚电解质添加剂采用PEI、HPEI或EDA。5.如权利要求1所述一种氧化石墨烯纳滤膜的层层自组装制...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵文尧，陈忠岩，王蕊，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：