一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于新型膜材料制备领域，具体涉及一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，包括以下步骤：将粘土纳米片分散在水中制成纳米片悬浮液，然后加入用于诱导纳米片端面预组装的有机物，搅拌反应，得到预组装后的粘土纳米片悬浮液；在预组装后的粘土纳米片悬浮液中加入二维纳米片辅料，制备成混合纳米片悬浮液；在混合纳米片悬浮液中加入交联用有机物辅料，分散均匀获得铸膜液；采用铸膜液铸膜，获得薄膜前体；将薄膜前体在钙离子溶液中浸泡交联、洗涤、干燥后即得所述二维粘土纳米通道薄膜。本发明专利技术将粘土纳米片通过端面预组装为大片，再采用二维纳米片辅料能够减少膜内通孔数量，提高薄膜离子精准识别传输的性能，更适用于实际应用。更适用于实际应用。更适用于实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法


[0001]本专利技术属于新型膜材料制备领域，具体而言，涉及一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法。

技术介绍

[0002]膜分离技术高效、经济且绿色，在过去的几十年里，在盐湖提锂、海水淡化、电池隔膜等方面显示出了巨大的应用潜力和价值。然而，对于众多的膜来说，传输通量与选择性的权衡、膜传质阻力等问题阻碍了它们的应用。
[0003]二维纳米通道薄膜是一类新型的膜材料。依赖于其独特的结构优势，二维纳米片能够直接组装成膜，形成快速传质的层间通道。并且由于通道尺寸在亚纳米级范围可调，薄膜展示出精准识别传输的能力。该类薄膜传质性能优异的关键在于其二维纳米通道，但构建通道的二维纳米片通常片径尺寸较小，容易在水环境中分散无序，且构建的二维通道通孔多、离子识别传输性能欠佳，因此在薄膜制备时需要尽可能在通道结构的有序度、稳定性、离子传输路径等方面进行优化。
[0004]研究学者(ACS Applied Materials&Interfaces,2014,6:22914
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22919)调节纳米片悬浮液的pH，通过减弱成膜纳米片边缘和面上的电性差异，削弱了纳米片边
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面结合的趋势，提高了纳米片堆叠的有序性。但该方法在通道结构的稳固性方面优势不大，需进一步改进。在申请号为201910436029.7的中国专利中公开了《一种层间通道尺寸可控的耐溶胀二维层状膜、制备及应用》，此专利技术利用层间的铝柱撑物强化了二维薄膜水中的稳定性，并可实现层间距的调控，可用于分子或离子的精确筛分。但是，该专利技术所构建的通道可能产生通孔，离子易从小阻力通孔穿过而非筛分通道，因此薄膜的分离效果还有待提高。
[0005]因此，为提高二维纳米通道薄膜的离子快速且精准识别传输性能，目前仍需开发出有效的薄膜制备技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，通过对粘土纳米片的端面预组装强化薄膜通道结构的有序性，通过微米级大尺寸功能性二维纳米片辅料减少薄膜通道通孔数量，利用交联用有机物辅料构建三维网络结构，从薄膜内部强化通道结构的稳固性，因此薄膜的离子精准识别传输、强度韧性等各方面性能优异，更适用于实际应用。本专利技术实现目的所采用的方案是：一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将粘土纳米片分散在水中制成纳米片悬浮液，然后加入用于诱导纳米片端面预组装的有机物，并在一定温度和pH条件下搅拌反应，得到预组装后的粘土纳米片悬浮液；
[0008](2)在预组装后的粘土纳米片悬浮液中加入二维纳米片辅料，搅拌制备成混合纳米片悬浮液；
[0009](3)在混合纳米片悬浮液中加入交联用有机物辅料，搅拌至分散均匀获得铸膜液；
[0010](4)采用铸膜液铸膜，获得薄膜前体；
[0011](5)将薄膜前体在钙离子溶液中浸泡交联，交联完毕后洗涤、干燥后即得所述用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜。
[0012]本专利技术中采用的粘土纳米片的片径小于二维纳米片辅料的片径，一般来说粘土纳米片的片径为小于1μm。
[0013]优选地，所述步骤(1)中，粘土为二维层状粘土矿物，包括蒙脱石、蛭石、云母、合成云母中的至少一种。
[0014]优选地，所述步骤(1)中，纳米片悬浮液的浓度为1wt％～10wt％。
[0015]优选地，所述步骤(1)中，用于诱导纳米片端面预组装的有机物为含有氨基的长链有机物，包括壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸和多肽中的至少一种。
[0016]优选地，所述步骤(1)中，有机物的用量为粘土纳米片的5wt％～20wt％。
[0017]优选地，所述步骤(1)中，诱导纳米片预组装的温度为10～80℃，pH为6～9。
[0018]优选地，所述步骤(2)中，二维纳米片辅料的片径为3～10μm，包括表面具有含氧官能团的石墨烯、氧化石墨烯、MXene中的至少一种；二维纳米片辅料的用量为粘土纳米片的1wt％～20wt％。
[0019]含氧官能团为能与氨基产生氢键作用的羧基、羟基等。
[0020]优选地，所述步骤(3)中，交联用有机物辅料为含有羧基的长链有机物，包括羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、聚丙烯酸中的至少一种；交联用有机物辅料的用量是粘土纳米片的5wt％～10wt％。
[0021]优选地，所述步骤(4)中，铸膜方法为抽滤成膜、刮涂成膜、流延成膜和喷涂成膜中的任意一种。
[0022]优选地，所述步骤(5)中，钙离子溶液中钙的浓度为1mol/L～3mol/L；浸泡交联时间为1h～3h。
[0023]本申请的制备原理是：
[0024]二维粘土纳米片的端面存在大量羟基基团，在二维粘土纳米片悬浮液中加入适量富含氨基的长链有机物，可以通过氢键的靶向作用诱导二维粘土纳米片端面连接，使小片预组装连接成大片，有利于二维粘土纳米片的有序堆叠。微米级大尺寸功能性二维纳米片的结构与二维粘土纳米片类似，在成膜时可在不影响膜结构的同时均匀地分布于粘土片层间；功能性二维纳米片片径尺寸较大，且表面功能基团可与预组装有机物相互作用，因此二维粘土纳米片能够与功能性二维纳米片交错堆叠而非整齐堆叠，这有效地减少了二维通道薄膜中通孔的数量；离子穿过二维通道膜时，膜内剩余的通孔可以提高离子传输的速率，而大尺寸功能性二维纳米片则可以迫使离子从二维通道中经过，从而大大提升了二维通道薄膜离子精准识别传输的能力。此外，富含丰富羧基的链状有机物均匀分布于膜内，在成膜后浸泡钙溶液交联时可以形成三维网络，交联而来的三维网络不仅能够束缚二维通道结构，抑制粘土纳米片的分散无序现象，还会抵抗外力作用，增强膜的强度和韧性，提高薄膜的实用性。
[0025]本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0026]1、本专利技术的制备方法，首先将粘土纳米片通过端面预组装为大片，可从根本上避免小片杂乱堆积产生无序结构的出现。
[0027]2、本专利技术的制备方法，采用二维纳米片辅料能够减少膜内通孔数量，显著提高薄膜离子精准识别传输的性能。
[0028]3、本专利技术的制备方法，通过钙离子交联富含羧基的链状有机物，可以在膜内部形成三维网络结构，显著提高了薄膜韧性及膜通道结构的稳固性，能够有效避免薄膜吸水导致的尺寸变化及强度下降问题，扩大了粘土膜的使用场景，在盐湖提锂、海水淡化、电池隔膜等领域具有很好的应用前景。
[0029]4、本专利技术的制备方法制备的用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的离子精准识别传输、强度韧性等各方面性能优异，更适用于实际应用。
附图说明
[0030]图1是实施例1制备的二维蒙脱石通道薄膜的X射线衍射图谱；
[0031]图2是实施例1制备的二维蒙脱石通道薄膜的截面SEM照片；
[0032]图3是实施例1制备的二维蒙脱石通道薄膜的照片；
[0033]图4是实施例1制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将粘土纳米片分散在水中制成纳米片悬浮液，然后加入用于诱导纳米片端面预组装的有机物，并在一定温度和pH条件下搅拌反应，得到预组装后的粘土纳米片悬浮液；(2)在预组装后的粘土纳米片悬浮液中加入二维纳米片辅料，搅拌制备成混合纳米片悬浮液；(3)在混合纳米片悬浮液中加入交联用有机物辅料，搅拌至分散均匀获得铸膜液；(4)采用铸膜液铸膜，获得薄膜前体；(5)将薄膜前体在钙离子溶液中浸泡交联，交联完毕后洗涤、干燥后即得所述用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜。2.根据权利要求1所述的用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，粘土为二维层状粘土矿物，包括蒙脱石、蛭石、云母、合成云母中的至少一种。3.根据权利要求1所述的用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，纳米片悬浮液的浓度为1wt％～10wt％。4.根据权利要求1所述的用于离子分离的二维粘土纳米通道薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用于诱导纳米片端面预组装的有机物为含有氨基的长链有机物，包括壳聚糖、聚乙烯亚胺、聚赖氨酸和多肽中的至少一种。5.根据权利要求1所述的用于离子分离的二维粘土纳米通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵云良，温通，张婷婷，陈立才，
申请(专利权)人：武汉科莱烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：