CN105771696A - 氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其改性的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其改性的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜及制备方法。氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子包括以带正电荷纳米粒子为支撑的球核和层层包裹所述球核的氧化石墨烯量子点，通过向带正电荷纳米粒子分散液中缓慢加入石墨烯量子点分散液，然后离心沉淀分离纯化制备；基于上述功能球纳米粒子的改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜，是在反渗透/纳滤膜聚酰胺分离层中镶嵌上述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其可用于海水及苦咸水淡化、海水及苦咸水的软化、饮用水处理、污水深度处理等领域。这种球壳状的异型纳米通道拥有多个进出口能够提高膜的水通量。

Description

氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其改性的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜及制备方法
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其改性的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜及所述膜的制备方法。
背景技术
谁掌握了膜技术，谁就掌握了化工的未来，膜分离技术因具有高效、节能、环保、适用范围广等优点，在海水及苦咸水淡化、污水处理及回用、饮用水净化、食品和医药等行业发挥着越来越重要的作用。常见的膜分离技术包括微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化、膜蒸馏、膜生物反应器等，其中反渗透和纳滤作为水资源可持续利用的关键技术，发挥着越来越重要的作用。
界面聚合法是制备反渗透膜和纳滤膜最重要的方法，纳米粒子被镶嵌到分离层中，可在不损害界面聚合膜分离性能的前提下，显著改善分离层的特性，如亲水性、表面电荷密度、抗污染性、水通量等。石墨烯作为一种新型纳米材料，在分离膜制备领域表现出了非常明显的优势。2012年麻省理工学院首次报道了多孔石墨烯膜用与海水淡化时，其水通量可比现有商品膜提高100-1000倍。后来，氧化石墨烯也被用于制备纳滤膜或反渗透膜，采用的方法包括自组装成膜、镶嵌到界面聚合膜中、共混到聚砜或聚醚砜膜中、吸附在壳聚糖膜表面等方法，但这些方法或是没有充分利用氧化石墨烯所构建的纳米水通道（镶嵌到界面聚合膜中、共混到聚砜或聚醚砜膜中），或是纳米水通道的效果很不明显（自组装成膜、吸附在壳聚糖膜表面）。因此，如何充分利用石墨烯或氧化石墨烯构建的纳米通道，改善纳滤膜或反渗透膜的性能是一项非常重要的课题。
发明内容
本发明的目的是解决利用石墨烯、氧化石墨烯或氧化石墨烯量子点构建的纳米通道在制备纳滤膜或反渗透膜中需进行取向排列的问题，提供一种具有异型纳米通道的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，以及一种基于上述功能球纳米粒子的改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜。
为了解决上述问题，本发明涉及的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子包括以带正电荷纳米粒子为支撑的球核和层层包裹所述球核的氧化石墨烯量子点。
上述氧化石墨烯量子点功能球的制备方法为：向带正电荷纳米粒子分散液中缓慢加入石墨烯量子点分散液，然后离心沉淀分离纯化。
进一步地，所述带正电荷纳米粒子为胺基化纳米银粒子、胺基化纳米锌粒子、胺基化纳米铜粒子、胺基化纳米金粒子、胺基化纳米二氧化硅粒子、胺基化纳米二氧化钛粒子、胺基化纳米壳聚糖粒子中的一种或多种。
本发明涉及的基于上述功能球纳米粒子的改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜，是在反渗透/纳滤膜聚酰胺分离层中镶嵌上述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子。
本发明涉及的基于上述功能球纳米粒子的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜的制备方法为：将0.02~0.1wt%的上述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子分散到含有0.5-3wt%多元胺的水相溶液或0.05~0.3wt%多元酰氯的油相溶液，将多孔底膜在水相溶液中浸泡0.3~2分钟，取出后去除底膜表面过量的水分，再浸泡到油相溶液中0.5~2分钟，然后在45-65℃下固化5-30分钟，去离子水充分漂洗。
进一步地，所述多元胺选自乙二胺、己二胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺、哌嗪及哌嗪的衍生物、对苯二胺、间苯二胺和邻苯二胺中的一种；所述多元酰氯选自均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯、5-异氰酸基间苯二甲酰氯中的一种或多种；所述油相为IsoparG或正己烷，所述IsoparG为烷烃溶剂美国埃克森美孚公司。
进一步地，所述的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜可用于海水及苦咸水淡化、海水及苦咸水的软化、饮用水处理、污水深度处理等领域。
本发明与现有技术相比，以氧化石墨烯量子点包裹的纳米粒子所制备的功能球，球核外层中含有由氧化石墨烯或石墨烯量子点纳米片构建的纳米通道，这种球壳状的异型纳米通道拥有多个进出口，在镶嵌到反渗透膜/纳滤膜功能层时不必像碳纳米管一样需要进行取向排列才能充分利用其纳米通道，制作工艺简单，且膜脱盐率增大，明显提高膜的水通量。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明：
本发明涉及的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子包括以带正电荷纳米粒子为支撑的球核和层层包裹所述球核的氧化石墨烯量子点。
上述氧化石墨烯量子点功能球的制备方法为：向带正电荷纳米粒子分散液中缓慢加入石墨烯量子点分散液，然后离心沉淀分离纯化。
进一步地，所述带正电荷纳米粒子为胺基化纳米银粒子、胺基化纳米锌粒子、胺基化纳米铜粒子、胺基化纳米金粒子、胺基化纳米二氧化硅粒子、胺基化纳米二氧化钛粒子、胺基化纳米壳聚糖粒子中的一种或多种。
本发明涉及的基于上述功能球纳米粒子的改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜，是在反渗透/纳滤膜聚酰胺分离层中镶嵌上述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子。
本发明涉及的基于上述功能球纳米粒子的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜的制备方法为：将0.02~0.1wt%的上述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子分散到含有0.5-3wt%多元胺的水相溶液或0.05~0.3wt%多元酰氯的油相溶液，将多孔底膜在水相溶液中浸泡0.3~2分钟，取出后去除底膜表面过量的水分，再浸泡到油相溶液中0.5~2分钟，然后在45-65℃下固化5-30分钟，去离子水充分漂洗。
进一步地，所述多元胺选自乙二胺、己二胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺、哌嗪及哌嗪的衍生物、对苯二胺、间苯二胺和邻苯二胺中的一种；所述多元酰氯选自均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯、5-异氰酸基间苯二甲酰氯中的一种或多种；所述油相为IsoparG或正己烷，所述IsoparG为烷烃溶剂美国埃克森美孚公司。
进一步地，所述的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜可用于海水及苦咸水淡化、海水及苦咸水的软化、饮用水处理、污水深度处理等领域。
实施例1：
取0.5g银纳米粒子分散到100mL无水乙醇中，在常温搅拌条件下，加入1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷，持续反应6小时后，经多次离心、水洗，得到胺基化纳米银粒子分散液（约0.5g/100mL）；将氧化石墨分散在超纯水中，超声分散5小时，离心取上清液得到氧化石墨烯量子点；在强烈搅拌条件下，向胺基化纳米银粒子分散液中慢慢滴加约0.001mg/mL的氧化石墨烯量子点分散液50mL，持续强力搅拌1小时后，逐渐降低搅拌速度直至静止，离心、水洗得到水相中分散的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子。将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为0.5wt%，氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子浓度为0.02wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.05wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，界面聚合反应0.5分钟，取出后在50℃下固化5分钟，经去离子水充分漂洗后得到氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
实施例2：
取0.5g银纳米粒子分散到100mL无水乙醇中，在常温搅拌条件下，加入1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷，持续反应6小时后，经多次离心、水洗，得到胺基化纳米银粒子分散液（约0.5g/100mL）；将氧化石墨分散在超纯水中，超声分散5小时，离心取上清液得到氧化石墨烯量子点；在强烈搅拌条件下，向胺基化纳米银粒子分散液中慢慢滴加约0.001mg/mL的氧化石墨烯量子点分散液50mL，持续强力搅拌1小时后，逐渐降低搅拌速度直至静止，离心、水洗得到水相中分散的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子；将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为1.5wt%，氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子浓度为0.05wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.15wt%的间苯二甲酰氯正己烷溶液中，界面聚合反应1分钟，取出后在50℃下固化20分钟，经去离子水充分漂洗后得到氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
实施例3：
取0.5g银纳米粒子分散到100mL无水乙醇中，在常温搅拌条件下，加入1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷，持续反应6小时后，经多次离心、水洗，得到胺基化纳米银粒子分散液（约0.5g/100mL）；将氧化石墨分散在超纯水中，超声分散5小时，离心取上清液得到氧化石墨烯量子点；在强烈搅拌条件下，向胺基化纳米银粒子分散液中慢慢滴加约0.001mg/mL的氧化石墨烯量子点分散液50mL，持续强力搅拌1小时后，逐渐降低搅拌速度直至静止，离心、水洗得到水相中分散的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子；将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为3wt%，氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子浓度为0.1wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.3wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，界面聚合反应1分钟，取出后在50℃下固化30分钟，经去离子水充分漂洗后得到氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
实施例4：
取0.5g银纳米粒子分散到100mL无水乙醇中，在常温搅拌条件下，加入1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷，持续反应6小时后，经多次离心、水洗，得到胺基化纳米银粒子分散液（约0.5g/100mL）；将氧化石墨分散在超纯水中，超声分散5小时，离心取上清液得到氧化石墨烯量子点；在强烈搅拌条件下，向胺基化纳米银粒子分散液中慢慢滴加约0.001mg/mL的氧化石墨烯量子点分散液50mL，持续强力搅拌1小时后，逐渐降低搅拌速度直至静止，依次经离心、无水乙醇洗、正己烷洗得到油相中分散的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子；将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为0.5wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.05wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子浓度为0.02wt%，界面聚合反应0.5分钟，取出后在45℃下固化5分钟，经去离子水充分漂洗后得到氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
实施例5：
取0.5g银纳米粒子分散到100mL无水乙醇中，在常温搅拌条件下，加入1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷，持续反应6小时后，经多次离心、水洗，得到胺基化纳米银粒子分散液（约0.5g/100mL）；将氧化石墨分散在超纯水中，超声分散5小时，离心取上清液得到氧化石墨烯量子点；在强烈搅拌条件下，向胺基化纳米银粒子分散液中慢慢滴加约0.001mg/mL的氧化石墨烯量子点分散液50mL，持续强力搅拌1小时后，逐渐降低搅拌速度直至静止，依次经离心、无水乙醇洗、正己烷洗得到油相中分散的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子；将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为1.5wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.15wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子浓度为0.05wt%，界面聚合反应1分钟，取出后在50℃下固化20分钟，经去离子水充分漂洗后得到氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
实施例6：
取0.5g银纳米粒子分散到100mL无水乙醇中，在常温搅拌条件下，加入1mL3-氨丙基三乙氧基硅烷，持续反应6小时后，经多次离心、水洗，得到胺基化纳米银粒子分散液（约0.5g/100mL）；将氧化石墨分散在超纯水中，超声分散5小时，离心取上清液得到氧化石墨烯量子点；在强烈搅拌条件下，向胺基化纳米银粒子分散液中慢慢滴加约0.001mg/mL的氧化石墨烯量子点分散液50mL，持续强力搅拌1小时后，逐渐降低搅拌速度直至静止，依次经离心、无水乙醇洗、IsoparG洗得到油相中分散的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子；将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为3wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.3wt%的均苯三甲酰氯IsoparG溶液中，氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子浓度为0.1wt%，界面聚合反应1分钟，取出后在65℃下固化30分钟，经去离子水充分漂洗后得到氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子改性聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
对比例1：
将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为0.5wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.05wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，界面聚合反应0.5分钟，取出后在45℃下固化5分钟，经去离子水充分漂洗后得到聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
对比例2：
将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为1.5wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸进入到0.15wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，界面聚合反应1分钟，取出后在50℃下固化20分钟，经去离子水充分漂洗后得到聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
对比例3：
将多孔底膜在水相中浸泡0.5分钟，水相中间苯二胺浓度为3wt%，取出并用气刀去除表面残余的水分；再浸入到0.3wt%的均苯三甲酰氯正己烷溶液中，界面聚合反应1分钟，取出后在50℃下固化30分钟，经去离子水充分漂洗后得到聚酰胺膜。在25℃、1MPa下，分别用2000ppm的NaCl和Na2SO4溶液测定膜材料的水通量和脱盐率。
表1为实施例1-6和对比例1-3所得膜材料的水通量和脱盐率。
表1

Claims (7)

1.氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其特征在于包括以带正电荷纳米粒子为支撑的球核和层层包裹所述球核的氧化石墨烯量子点。
2.根据权利要求2所述的氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子，其特征在于所述带正电荷纳米粒子为胺基化纳米银粒子、胺基化纳米锌粒子、胺基化纳米铜粒子、胺基化纳米金粒子、胺基化纳米二氧化硅粒子、胺基化纳米二氧化钛粒子和胺基化纳米壳聚糖粒子中的一种或多种。
3.一种根据权利要求2所述的氧化石墨烯量子点功能球的制备方法，其特征在于向带正电荷纳米粒子分散液中缓慢加入石墨烯量子点分散液，然后离心沉淀分离纯化。
4.一种权利要求2所述的功能纳米粒子改性聚酰胺反渗透膜/纳滤膜，其特征在于在反渗透/纳滤膜聚酰胺分离层中镶嵌所述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子。
5.一种权利要求4所述的功能球纳米粒子聚酰胺反渗透膜/纳滤膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将0.02~0.1wt%的上述氧化石墨烯量子点功能球纳米粒子分散到含有0.5-3wt%多元胺的水相溶液或0.05~0.3wt%多元酰氯的油相溶液，将多孔底膜在水相溶液中浸泡0.3~2分钟，取出后去除底膜表面过量的水分，再浸泡到油相溶液中0.5~2分钟，然后在45-65℃下固化5-30分钟，去离子水充分漂洗。
6.根据权利要求5所述的功能球纳米粒子的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜的制备方法，其特征在于所述多元胺选自乙二胺、己二胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多乙烯多胺、哌嗪及哌嗪的衍生物、对苯二胺、间苯二胺和邻苯二胺中的一种；所述多元酰氯选自均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯和5-异氰酸基间苯二甲酰氯中的一种或多种；所述油相为IsoparG或正己烷。
7.根据权利要求5或6所述的功能球纳米粒子的聚酰胺反渗透膜/纳滤膜用于海水及苦咸水淡化、海水及苦咸水的软化、饮用水处理和污水深度处理领域。
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