CN104841291A - 一种有效增强氧化石墨烯膜脱水性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有效增强氧化石黑烯膜脱水性能的方法。该方法将亲水聚合物涂覆于氧化石墨烯膜表层，协同利用亲水聚合物的强吸水性和氧化石墨烯的快速水通道特点，从而实现高效的氧化石墨烯膜脱水。该方法的特点是简单、易操作，无需对氧化石墨烯原材料进行复杂的化学处理，对于氧化石墨烯在膜领域的大规模应用具有很好的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，涉及一种有效增强氧化石墨烯膜脱水性能的方法。
背影技术
膜分离是基于材料的分离过程，是利用混合物中各组分在材料中物理和化学性质的差异来实现物质分离的过程，因此膜材料是膜分离技术的基础。近年来，一种新型的碳原子材料——石墨烯(Graphene)材料，得到研究者的广泛关注。该材料具有理想的二维晶体结构，其碳原子以sp2杂化方式互相键合，形成只包含六角元胞的刚性片层结构，是目前最薄的二维材料(Science,324(2009)1530-1534)。由于石墨烯突出的物理化学性质，近两年石墨烯材料在分离膜上的应用得到了广泛的研究(Science,2014,343,740-742；AngewChemInt Ed Engl,2014,53,10286-10288；Journal of Materials Chemistry A,2014,2,13772-13782)。
作为石墨烯的氧化物，堆积的氧化石墨烯已被证明具体畅通无阻的水通道(Science 2012,335,442-444)，在水处理、离子分离等领域展现出了广阔的应用前景(Adv.Mater.2013,25,503-508；Science 2014,343,752-754)。然而，在实际应用过程中氧化石墨烯膜往往不能达到预期的分离效果。一方面是由于本身具有的静电排斥导致氧化石墨烯片层无法形成高度有序的堆积层，会形成一些不可避免的缺陷；另一方面在水溶液中氧化石墨烯层与层间的间距会发生变化。这些因素使得氧化石墨烯的快速水通道无法充分发挥作用。因此，急需一种有效的方法提高氧化石墨烯的性能。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种有效增强氧化石墨烯膜脱水性能的方法。
本发明的技术方案为：将亲水聚合物涂覆于氧化石墨烯膜表层，协同利用亲水聚合物的强吸水性和氧化石墨烯的快速水通道，实现高效的膜法水处理。
本发明的具体技术方案为：一种有效增强氧化石墨烯膜脱水性能的方法，其具体步骤如下：
(1)氧化石墨烯膜的制备：在陶瓷或有机支撑体表面制备氧化石墨烯复合膜，在烘干，待用；
(2)改性剂的制备：将亲水性聚合物溶解于溶剂中，加热、搅拌及超声处理得到分散均匀的改性剂溶液；
(3)氧化石墨烯复合膜改性处理：将制备的改性剂溶液采涂覆于步骤(1)制备氧化石墨烯复合膜表面；
(4)将改性过的氧化石墨烯复合膜烘干。
优选步骤(1)中采用过滤或真空抽吸等方法在陶瓷或有机支撑体表面制备氧化石墨烯复合膜。上述的过滤方法采用常规的过滤方法，真空抽吸法可参见专利(一种制备管式石黑烯材料复合膜的方法，公开号CN103861469A)。
优选步骤(1)中的烘干温度为30℃～80℃；步骤(4)中的烘干温度为40℃～100℃。
优选步骤(1)中所述的陶瓷支撑体材质为氧化铝、氧化硅、氧化钛或氧化锆；有机支撑体材质为聚乙烯、四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纤维脂、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚砜或聚醚砜。
优选步骤(1)中所述的陶瓷或有机支撑体的孔径范围均为0.1～3μm。
优选步骤(1)中所制备的氧化石墨烯复合膜构型为管式、平板或卷式。
优选步骤(2)中所述的亲水聚合物为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸、聚N-乙烯基己内酰胺、壳聚糖及衍生物、海澡酸钠及衍生物、淀粉及衍生物、三亚甲基碳酸酯-聚乳酸共聚物、聚乳酸-聚乙交酯共聚物或聚乙二醇-聚乳酸共聚物。
优选步骤(2)中的溶剂是纯水，或者是乙醇或甲醇的水溶液，其中水体积含量为20～80％。
优选步骤(2)中制备的改性剂溶液的质量百分浓度为0.05～5％。
优选步骤(3)中的涂覆方式为浸涂或擦涂。
有益效果:
该方法提供了一种简单、易操作地增强氧化石墨烯膜脱水性能的方法。该方法利用亲水聚合物的强吸水性特点，充分发挥氧化石墨烯的快速水通道的性能优势，从而有效实现提高氧化石墨烯膜的脱水性能。对于氧化石墨烯在膜领域的大规模应用具有很好的指导意义。
附图说明
图1是实施例1改性后的片式氧化铝陶瓷支撑的氧化石墨烯膜实物图；
图2是实施例2改性后的片式醋酸纤维脂支撑的氧化石墨烯膜实物图；
图3是实施例3改性后的管式氧化铝支撑的氧化石墨烯膜实物图；
图4是实施例3壳聚糖改性后的氧化石墨烯膜表面图；
图5是实施例3壳聚糖改性后的氧化石墨烯膜断面图；
具体实施方式
实施例1
采用本发明的方法处理片式氧化铝陶瓷支撑(孔径为100nm)的氧化石墨烯膜
(1)采用过滤方法制备片式氧化铝陶瓷支撑的氧化石墨烯膜，在50℃烘干，待用；
(2)改性剂的制备：将聚乙烯醇溶解于水中，加热、搅拌及超声处理得到分散均匀的聚乙烯醇水溶液，浓度为1％(质量百分数)；
(3)氧化石墨烯复合膜改性处理：将制备的聚乙烯醇水溶液采用浸涂方法涂覆于步骤1制备片式氧化铝陶瓷支撑的氧化石墨烯膜表面；
(4)将改性过的氧化石墨烯复合膜在70℃烘干，改性后的片式氧化铝陶瓷支撑的氧化石墨烯膜实物图如图1所示。
对改性过的氧化石墨烯复合膜进行丁醇脱水渗透汽化表征，结果表明该膜具有良好的脱水性能，改性前通量为2.42kg/m2h，分离因子为359，改性后通量达到2.34kg/m2h，分离因子为2558。
实施例2
采用本发明的方法处理片式醋酸纤维脂支撑(孔径为3μm)的氧化石墨烯膜
(1)采用过滤方法制备片式醋酸纤维脂支撑的氧化石墨烯膜，在30℃烘干，待用；
(2)改性剂的制备：将聚丙烯酰胺溶解于体积浓度为70％乙醇的水溶液中，加热、搅拌及超声处理得到分散均匀的聚丙烯酰胺溶液，浓度为5％(质量百分数)；
(3)氧化石墨烯复合膜改性处理：将制备的聚丙烯酰胺溶液采用擦涂方法涂覆于步骤1制备片式醋酸纤维脂支撑的氧化石墨烯膜表面；
(4)将改性过的氧化石墨烯复合膜在40℃烘干，改性后的片式醋酸纤维脂支撑的氧化石墨烯膜实物图如图2所示。
对改性过的氧化石墨烯复合膜进行丁醇脱水渗透汽化表征，结果表明该膜具有良好的脱水性能，改性前通量为4.96kg/m2h，分离因子为284，改性后通量达到5.04kg/m2h，分离因子为2126。
实施例3
采用本发明的方法处理管式氧化铝支撑(孔径为600nm)的氧化石墨烯膜
(1)采用真空抽吸方法制备管式氧化铝支撑的氧化石墨烯膜，在60℃烘干，待用；
(2)改性剂的制备：将壳聚糖溶解于水溶液中，加热、搅拌及超声处理得到分散均匀的壳聚糖水溶液，浓度为0.1％(质量百分数)；
(3)氧化石墨烯复合膜改性处理：将制备的壳聚糖水溶液采用浸涂方法涂覆于步骤1制备管式氧化铝支撑的氧化石墨烯膜表面；
(4)将改性过的氧化石墨烯复合膜在70℃烘干，改性后的管式氧化铝支撑的氧化石墨烯膜实物图如图3所示；壳聚糖改性后的氧化石墨烯膜表面和断面图分别如图4和图5所示；
对改性过的氧化石墨烯复合膜进行丁醇脱水渗透汽化表征，结果表明该膜具有良好的脱水性能，改性前通量为10.1kg/m2h，分离因子为373，改性后通量达到10.2kg/m2h，分离因子为1685。
实施例4
采用本发明的方法处理卷式聚丙烯腈支撑(孔径为1μm)的氧化石墨烯膜
(1)采用过滤方法制备卷式聚丙烯腈支撑的氧化石墨烯膜，在80℃烘干，待用；
(2)改性剂的制备：将聚乙二醇-聚乳酸共聚物溶解于体积浓度为30％甲醇的水溶液中，加热、搅拌及超声处理得到分散均匀的聚乙二醇-聚乳酸共聚物溶液，浓度为0.05％(质量百分数)；
(3)氧化石墨烯复合膜改性处理：将制备的聚乙二醇-聚乳酸共聚物溶液采用浸涂方法涂覆于步骤1制备卷式聚丙烯腈支撑的氧化石墨烯膜表面；
(4)将改性过的氧化石墨烯复合膜在100℃烘干。
对改性过的氧化石墨烯复合膜进行丁醇脱水渗透汽化表征，结果表明该膜具有良好的脱水性能，改性前通量为9.03kg/m2h，分离因子为328，改性后通量达到8.92kg/m2h，分离因子为1973。
Claims (10)
1.一种有效增强氧化石墨烯膜脱水性能的方法，其具体步骤如下：
(1)氧化石墨烯膜的制备：在陶瓷或有机支撑体表面制备氧化石墨烯复合膜，在烘干，待用；
(2)改性剂的制备：将亲水性聚合物溶解于溶剂中，加热、搅拌及超声处理得到分散均匀的改性剂溶液；
(3)氧化石墨烯复合膜改性处理：将制备的改性剂溶液采涂覆于步骤(1)制备氧化石墨烯复合膜表面；
(4)将改性过的氧化石墨烯复合膜烘干。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中采用过滤或真空抽吸的方法在陶瓷或有机支撑体表面制备氧化石墨烯复合膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中的烘干温度为30℃～80℃；步骤(4)中的烘干温度为40℃～100℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述的陶瓷支撑体材质为氧化铝、氧化硅、氧化钛或氧化锆；有机支撑体材质为聚乙烯、四氟乙烯、聚丙烯、醋酸纤维脂、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚砜或聚醚砜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述的陶瓷或有机支撑体的孔径范围均为0.1～3μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所制备的氧化石墨烯复合膜构型为管式、平板或卷式。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中所述的亲水聚合物为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸、聚N-乙烯基己内酰胺、壳聚糖及衍生物、海澡酸钠及衍生物、淀粉及衍生物、三亚甲基碳酸酯-聚乳酸共聚物、聚乳酸-聚乙交酯共聚物或聚乙二醇-聚乳酸共聚物。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中的溶剂是纯水，或者是乙醇或甲醇的水溶液，其中水体积含量为20～80％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中制备的改性剂溶液的质量百分浓度为0.05～5％。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中的涂覆方式为浸涂或擦涂。
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