一种二维离子对膜的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种二维离子对膜的制备方法及其应用，涉及膜分离技术领域，本发明专利技术所述二维离子对膜的制备方法为：向氧化石墨烯纳米片分散液中加入含乙烯基的酸类单体或含乙烯基的胺类单体，在引发剂的引发下进行自由基聚合反应，分别得到P1@GO纳米片分散液和P2@GO纳米片分散液；然后将P1@GO纳米片分散液和P2@GO纳米片分散液按比例混合后通过纳米片组装技术沉积在多孔基底膜上，得到二维离子对膜。本发明专利技术所述二维离子对膜的盐截留率高，同时水通量高，且制膜工艺可控性较强，有利于批量生产。有利于批量生产。有利于批量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种二维离子对膜的制备方法及其应用

：
[0001]本专利技术涉及膜分离
，具体涉及一种二维离子对膜的制备方法及其应用。

技术介绍
：
[0002]近些年来，由于全球经济的快速发展，人类对水资源的需求日益增加，然而频繁发生的干旱和水污染加剧了全球淡水资源短缺的问题。海水占全球水量的97％左右，资源丰富，因此海水淡化技术可以有效解决淡水资源短缺问题，有望为人类提供更多的淡水。目前海水淡化技术主要包含蒸馏法、冷冻法和膜分离技术等，其中膜分离技术由于操作简单，能耗低，环境友好等优点受到人们的广泛关注，有望代替传统的分离技术。
[0003]膜分离技术的核心是膜材料的选择，二维氧化石墨烯(GO)具有规整的层间通道，且含有羟基、羧基和环氧基等丰富的含氧官能团，为氧化石墨烯的各种改性提供了反应位点。通过进一步改性，研究者可以很容易地调控氧化石墨烯膜的微观结构和化学性质，因此受到广泛关注。然而由于这些含氧官能团的存在，使得氧化石墨烯膜在水中极易溶胀。正如文献(《美国化学学会纳米》(ACS Nano,2017,11(6):6440
‑
6450)中所介绍的，氧化石墨烯膜在干态情况下层间距只有0.8nm左右，而湿态情况下会增大到1.35nm，甚至能达到6到7nm。因此氧化石墨烯分离膜难以应用于实际的脱盐过程中。
[0004]《自然—通讯》(Nature Communications,2019,10(1):1
‑
8)通过调控膜表面电荷来提高氧化石墨烯膜的脱盐能力。通过在氧化石墨烯膜表面涂覆一层带正电或者负电的聚合物提高对AB2(如MgCl2等)型或者A2B(如Na2SO4等)型离子的截留作用。
[0005]《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society,2021,143(13):5080
‑
5090)采用等离子体技术处理氧化石墨烯膜，获取富氮官能团功能化的氧化石墨烯膜。与原始的氧化石墨烯膜相比，功能化氧化石墨烯膜对单/多价阳离子选择性显著提高。但是这两种策略对一价离子及AB(如NaCl等)型离子并没有很好的截留效果。
[0006]专利CN112957929A公开了一种基于阴阳离子调控的改性氧化石墨烯膜的制备方法及应用，该方法将氧化石墨烯膜依次浸渍在阴/阳离子溶液中进行改性处理，得到改性氧化石墨烯膜。该改性方法虽然能起到抑制氧化石墨烯膜溶胀的效果，但是该改性氧化石墨烯膜在渗透汽化脱盐过程中水通量较低，在70℃下仅有6.24kg
·
m
‑2·
h
‑1；而且其制膜工艺可控性差，不利于批量生产。

技术实现思路
：
[0007]本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种二维离子对膜的制备方法，旨在获得具有更高的盐截留率和水通量的二维离子对膜。
[0008]本专利技术所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
[0009]本专利技术的目的之一在于提供一种二维离子对膜的制备方法，向氧化石墨烯纳米片分散液中加入含乙烯基的酸类单体，在引发剂的引发下进行自由基聚合反应，得到P1@GO纳米片分散液；向氧化石墨烯纳米片分散液中加入含乙烯基的胺类单体，在引发剂的引发下
进行自由基聚合反应，得到P2@GO纳米片分散液；然后将P1@GO纳米片分散液和P2@GO纳米片分散液按比例混合后通过纳米片组装技术沉积在多孔基底膜上，即可得到二维离子对膜。
[0010]优选地，所述多孔基底膜选自尼龙膜、聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚碳酸酯膜、阳极氧化铝膜、聚丙烯腈膜等多孔薄膜中的一种，且所述多孔基底膜的孔径为50
‑
450nm。
[0011]优选地，所述含乙烯基的酸类单体为含乙烯基的羧酸或磺酸单体。
[0012]进一步优选地，所述含乙烯基的酸类单体为丙烯酸(AA)、对苯乙烯磺酸(SS)、丙烯磺酸(PSA)或4
‑
乙烯基苯甲酸(4VBA)，但不仅限于此。
[0013]优选地，所述含乙烯基的胺类单体为含乙烯基的吡啶或叔胺单体。
[0014]进一步优选地，所述含乙烯基的胺类单体为4
‑
乙烯基吡啶(4VP)、二甲基烯丙基胺(DMAA)或4
‑
二甲基氨基苯乙烯(4DAS)，但不仅限于此。
[0015]所述氧化石墨烯纳米片分散液是将氧化石墨烯粉末超声分散于去离子水或有机溶剂中。
[0016]优选地，所述氧化石墨烯纳米片分散液的浓度为0.05
‑
1mg
·
mL
‑1。
[0017]优选地，所述超声的温度为20
‑
50℃，时间为0.5
‑
3h。
[0018]优选地，所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜中的一种，但不仅限于此。
[0019]优选地，所述氧化石墨烯纳米片与含乙烯基的酸类单体的质量比为1:(1
‑
200)，引发剂与含乙烯基的酸类单体的质量比为(0.01
‑
0.1):1。
[0020]优选地，所述氧化石墨烯纳米片与含乙烯基的胺类单体的质量比为1:(1
‑
200)，引发剂与含乙烯基的胺类单体的质量比为(0.01
‑
0.1):1。
[0021]优选地，所述自由基聚合反应的温度为60
‑
100℃，时间为2
‑
8h。
[0022]优选地，所述纳米片组装技术为真空抽滤、旋转涂覆或喷涂，但不仅限于此。
[0023]优选地，所述P1@GO纳米片分散液和P2@GO纳米片分散液的质量比为1:(0.1
‑
10)。
[0024]本专利技术的目的之二在于提供一种根据所述二维离子对膜的制备方法制备得到的二维离子对膜。
[0025]本专利技术的目的之三在于提供所述二维离子对膜在脱盐中的应用。
[0026]所述脱盐为采用纳滤、正渗透或渗透汽化工艺进行盐溶液处理。
[0027]所述盐溶液的成分包括AB型、AB2型和A2B型金属盐。
[0028]优选地，所述盐溶液的浓度为0.02
‑
1mol
·
L
‑1，但不仅限于此。
[0029]优选地，所述金属盐为NaCl、KCl、LiCl、CaCl2、MgCl2、NiCl2、CdCl2、CuCl2、FeCl3、CrCl3、AlCl3、Na2SO4中的至少一种，但不仅限于此。
[0030]本专利技术的原理为：以氧化石墨烯为基材，分别在氧化石墨烯的层间引入聚羧酸(聚磺酸)分子以及聚吡啶(聚叔胺)分子制备二维离子对膜，由于聚羧酸(聚磺酸)中的羧基(磺酸基)会解离出氢离子，从而使得聚吡啶(聚叔胺)中的吡啶基(叔胺基)质子化，以此形成离子对。离子对的形成一方面起到稳定层间距、抑制溶胀的作用，另本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维离子对膜的制备方法，其特征在于：向氧化石墨烯纳米片分散液中加入含乙烯基的酸类单体，在引发剂的引发下进行自由基聚合反应，得到P1@GO纳米片分散液；向氧化石墨烯纳米片分散液中加入含乙烯基的胺类单体，在引发剂的引发下进行自由基聚合反应，得到P2@GO纳米片分散液；然后将P1@GO纳米片分散液和P2@GO纳米片分散液按比例混合后通过纳米片组装技术沉积在多孔基底膜上，即可得到二维离子对膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述多孔基底膜选自尼龙膜、聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚碳酸酯膜、阳极氧化铝膜、聚丙烯腈膜中的一种，且所述多孔基底膜的孔径为50
‑
450nm。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述含乙烯基的酸类单体为含乙烯基的羧酸或磺酸单体；所述含乙烯基的胺类单体为含乙烯基的吡啶或叔胺单体；优选地，所述含乙烯基的酸类单体为丙烯酸、对苯乙烯磺酸、丙烯磺酸或4
‑
乙烯基苯甲酸；优选地，所述含乙烯基的胺类单体为4
‑
乙烯基吡啶、二甲基烯丙基胺或4
‑
二甲基氨基苯乙烯。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯纳米片分散液是将氧化石墨烯粉末超声分散于去离子水或有机溶剂中；优选地，所述氧化石墨烯纳米片分散液的浓度为0.05
‑
1mg
·
mL
‑1；优选地，所述超声的温度为20
‑
50℃，时间为0.5
‑
3h；优选地，所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉瑾，张世超，李勇，李欣欣，顾晶晶，邵宏伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：