一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用技术

本发明专利技术公开了一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用，包括以下步骤：(1)前驱体的制备：将石墨烯量子点与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，再将过硫酸铵

【技术实现步骤摘要】
一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用


[0001]本专利技术属于膜材料及水处理
，具体涉及一种可通过电化学方法自清洁的碳纳米材料
‑
有机导电复合膜的制备方法及用膜法水处理应用。

技术介绍

[0002]膜污染是膜法水处理技术应用面临的最关键挑战。目前控制膜污染的常用方法包括物理清洗(如水力学冲刷和反冲洗)和化学清洗(如添加氧化剂、酸、碱等)和电化学抗污染技术等。其中，电化学膜污染控制技术主要通过对膜表面施加一定的电场，利用静电排斥作用减少膜污染物在膜表面的吸附或通过电化学反应产生自由基等活性物质原位降解膜污染物，该方法具有操作简便、环境友好等优点，具有广阔的发展应用前景。为了降低能量损耗和增强电化学抗污染效果，目前常用的方式是在有机基底膜上再增加一层由碳纳米管(CNT)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(Ppy)等导电材料构成的导电层，或者直接在膜内部掺入导电纳米材料构成具有较强导电性的复合膜。导电层表面的电荷密度直接决定膜的静电排斥效果。然而，现有的导电膜普遍采用单一的碳纳米材料或导电聚合物材料进行修饰，受到材料本身的结构、化学特性限制，其表面所带电荷量有限。此外，采用表面修饰的导电膜普遍机械强度较低，其长期运行稳定性较差。上述不足之处严重制约了其电化学抗污染膜的应用效果。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术提供了一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用，本专利技术首先利用石墨烯量子点(GQDs)等具有较高电容的纳米材料和PANI对CNT等导电碳纳米材料进行表面修饰，制备具有优异导电性能和电容的前驱体。接着，利用聚醚砜(PES)等有机聚合膜作为基底膜(支撑层)，通过抽滤的方式将前驱体和聚乙烯醇(PVA)交联剂(共同作为导电层)固定于基底膜上；本专利技术所制备的导电复合膜具有更高表面电荷密度，该复合膜的导电层不仅具有较高导电性(可降低电能损耗)，而且具有较高电容性能(能提供更高的电荷密度)。本专利技术利用具有高电容性材料来构建导电层，制备的复合膜对蛋白、腐殖质等带负电荷的物质(水中常见的膜污染物)具有很强的静电排斥作用，该导电复合膜可用于水处理以及其他膜分离/资源回收应用。
[0004]本专利技术的技术方案为：
[0005]本专利技术涉及了一种导电复合膜的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)前驱体的制备：将石墨烯量子点(GQDs)与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，再将过硫酸铵
‑
盐酸溶液缓慢加入上述溶液，冰浴下反应，然后分离、干燥后获得前驱体粉末；
[0007](2)导电复合膜的制备：将步骤(1)获得的前驱体粉末和十二烷基苯磺酸钠分散于水中，得到前驱体分散液；在有机基底膜表面进行抽滤处理，将前驱体和交联剂固定于有机基底膜上，然后将所得的膜浸入戊二醛
‑
盐酸溶液中进行交联，最后取出烘干，得到导电复
合膜。
[0008]优选地，石墨烯量子点的制备过程为：用电化学氧化石墨电极，经离心、透析纯化后，得到含石墨烯量子点的溶液。将所得的含石墨烯量子点的溶液冷冻干燥，可以得到GQDs粉末，基于GQDs粉末的质量可以进一步计算溶液浓度。
[0009]优选地，制备石墨烯量子点的过程中，基于电化学系统氧化石墨电极，所述电化学系统采用0.05
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0.3mol/L KH2PO4作为电解质溶液，设定电压为2
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5V，氧化处理2
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6h；离心条件为9000
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12000rpm下离心0.5
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1h；透析条件为2000
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3500D纯水透析1
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3d。
[0010]所述电化学系统包括电化学工作站和三电极体系，其中石墨电极作为工作电极，Ti片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，工作电极、对电极和参比电极均通过导线与电化学工作站相连。
[0011]优选地，步骤(1)中，石墨烯量子点以含石墨烯量子点的溶液形式加入，含石墨烯量子点的溶液中石墨烯量子点浓度为0.5
‑
1.0mg/mL；
[0012]石墨烯量子点和碳纳米材料的质量比为1:9至1:4，每毫升溶剂分散石墨烯量子点和碳纳米材料总质量为2
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6mg；
[0013]将石墨烯量子点与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，浓盐酸的加入体积与溶剂的体积之比为1:8至1:24，所得溶液中HCl的浓度为0.5
‑
1.5mol/L，苯胺的加入质量与石墨烯量子点的质量之比为3:1至10:1；
[0014]过硫酸铵
‑
盐酸溶液通过将过硫酸铵分散于0.5
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1.5mol/L的盐酸中制得，每毫升盐酸中分散的过硫酸铵质量为1
‑
2mg，过硫酸铵的质量与苯胺的质量之比为61:200。
[0015]优选地，步骤(1)中，所述溶剂为乙醇，所述碳纳米材料为碳纳米管(CNT)；石墨烯量子点与碳纳米材料超声分散于溶剂中，超声分散时间为0.5
‑
2h；过硫酸铵
‑
盐酸溶液滴加速率为1
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3mL/min，冰浴条件下的反应时间为10
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15h。
[0016]优选地，步骤(2)中，前驱体粉末和十二烷基苯磺酸钠的质量比为1:4
‑
1:2，每毫升水中分散的前驱体粉末和十二烷基苯磺酸钠总质量为1
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3mg；戊二醛
‑
盐酸溶液中戊二醛浓度为0.5
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1.5wt％，HCl浓度为0.5
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1.5mol/L；
[0017]交联反应的温度为70
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100℃，时间为10
‑
20min。
[0018]优选地，步骤(2)中，所述交联剂为聚乙烯醇；抽滤处理的过程中，在有机基底膜表面依次抽滤聚乙烯醇溶液A、前驱体分散液、水、聚乙烯醇(PVA)溶液B；其中有机基底膜为PES(聚醚砜)膜，所负载的前驱体的量为40
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100mg/cm2，抽滤所用聚乙烯醇溶液A的浓度为0.05
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0.15wt％，聚乙烯醇溶液B的浓度为0.05
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0.15wt％；抽滤处理过程中，使用的聚乙烯醇溶液A、水和聚乙烯醇溶液B的体积比为0.5:10:0.5至1:10:1。
[0019]本专利技术还涉及上述导电复合膜在处理含有有机大分子的废水中的应用，废水处理具体为分离去除废水中的有机溶剂、蛋白、腐殖酸等有机大分子，导电复合膜可以有效截留带电大分子物质，进一步改变膜表面电压减轻污染层形成和实现膜表面自清洁。
[0020]本专利技术还涉及基于导电复合膜的电驱动错流压力池装置，包括膜池，导电复合膜设于所述膜池内，所述膜池设有进料口和出料口，所述导电复合膜的基底膜设置在靠近出料口一侧，靠近进料口一侧设有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种导电复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)前驱体的制备：将石墨烯量子点与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，再将过硫酸铵
‑
盐酸溶液缓慢加入上述溶液，冰浴下反应，然后分离、干燥后获得前驱体粉末；(2)导电复合膜的制备：将步骤(1)获得的前驱体粉末和十二烷基苯磺酸钠分散于水中，得到前驱体分散液；在有机基底膜表面进行抽滤处理，将前驱体和交联剂固定于有机基底膜上，然后将所得的膜浸入戊二醛
‑
盐酸溶液中进行交联，最后取出烘干，得到导电复合膜。2.根据权利要求1所述的一种导电复合膜的制备方法，其特征在于，石墨烯量子点的制备过程为：用电化学氧化石墨电极，经离心、透析纯化后，得到含石墨烯量子点的溶液。3.根据权利要求2所述的一种导电复合膜的制备方法，其特征在于，制备石墨烯量子点的过程中，基于电化学系统氧化石墨电极，所述电化学系统采用0.05
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0.3mol/L KH2PO4作为电解质溶液，设定电压为2
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5V，氧化处理2
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6h；离心条件为9000
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12000rpm下离心0.5
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1h；透析条件为2000
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3500D纯水透析1
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3d。4.根据权利要求1所述的一种导电复合膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，石墨烯量子点以含石墨烯量子点的溶液形式加入，含石墨烯量子点的溶液中石墨烯量子点浓度为0.5
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1.0mg/mL；石墨烯量子点和碳纳米材料的质量比为1:9至1:4，每毫升溶剂分散石墨烯量子点和碳纳米材料总质量为2
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6mg；将石墨烯量子点与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，浓盐酸的加入体积与溶剂的体积之比为1:8至1:24，所得溶液中HCl的浓度为0.5
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1.5mol/L，苯胺的加入质量与石墨烯量子点的质量之比为3:1至10:1；过硫酸铵
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盐酸溶液通过将过硫酸铵分散于0.5
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1.5mol/L的盐酸中制得，每毫升盐酸中分散的过硫酸铵质量为1
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2mg，过硫酸铵的质量与苯胺的质量之比为61:100至61:200。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文卫，司洋，高淼，王振宇，王云杰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学苏州高等研究院，
类型：发明
国别省市：