CN110327790A - 一种改性氧化石墨烯膜及其制备方法与用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性氧化石墨烯膜及其制备方法与用途，其中所述改性氧化石墨烯膜，为通过所述三聚氰胺和酸性氧化的碳纳米管共同改性的氧化石墨烯膜，所述制备方法中的改性过程不仅操作方便，而且还可增加所述氧化石墨烯膜的稳定性，并增大了氧化石墨烯膜的层间距，从而增大了所述氧化石墨烯膜的水通量和离子的选择渗透能力，最终高效地分离废水中的铀与一价和/或二价金属离子。

Description

一种改性氧化石墨烯膜及其制备方法与用途
技术领域
本发明涉及废水处理领域，具体涉及一种改性氧化石墨烯膜及其制备方法与用途。
背景技术
随着世界各国核电的快速发展，铀矿的需求量也越来越大，在铀矿的开采和水冶过程中会随之产生大量的含铀废水。含铀废水不仅会污染地表水，还会渗透进入地下污染地下水，造成很大的危害，因此，含铀废水的处理问题亟待解决。含铀废水中，铀主要以四价和六价的氧化态(UO2 2+)存在，很难从废水中除去。而膜分离技术是目前现有技术中最有效的、处理废水的方法之一。传统的聚合物膜包括聚砜、聚醚砜以及纤维素膜等，虽然具有强大的物理，化学和机械稳定性，通常能够用于废水处理中，但是，因其表面疏水的特性，传统聚合物膜在废水处理中的应用受到了大大的限制。因此，急需开发一种具有选择性的新材料，高效地用于废水中铀的分离。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种能够高效分离废水中铀的新材料，及其制备方法。
本发明的一种改性氧化石墨烯膜(GO-CNT-Me)为三聚氰胺(Me)和酸性氧化碳纳米管(CNT)共同改性的氧化石墨烯(GO)膜。由于三聚氰胺含有的功能基团易于选择性络合铀，从而增加了所述改性氧化石墨烯膜对铀的截留性能，实现铀与其它金属离子的分离。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜，所述改性氧化石墨烯膜的层间距为(可以为或等)。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜，所述改性氧化石墨烯膜的水通量为10～20L·m-2·h-1·bar-1(可以为11L·m-2·h-1·bar-1、12L·m-2·h-1·bar-1、13L·m-2·h-1·bar-1、14L·m-2·h-1·bar-1、15L·m-2·h-1·bar-1、16L·m-2·h-1·bar-1、17L·m-2·h-1·bar-1、18L·m-2·h-1·bar-1、19L·m-2·h-1·bar-1等)。
一种改性氧化石墨烯膜的制备方法，具体包括如下步骤：
首先制备酸化碳纳米管，并配置成酸化碳纳米管溶液；再将所述酸化碳纳米管溶液与三聚氰胺溶液以及氧化石墨烯溶液混合，抽滤得到复合膜；在所述复合膜上滴加浓盐酸，待交联完成后干燥并洗涤，最终得到改性氧化石墨烯膜。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜的制备方法，所述复合膜的制备过程中，所述酸化碳纳米管溶液的浓度为0.3～0.5g/L，所述三聚氰胺溶液的浓度范围为1.0～1.5g/L，所述氧化石墨烯溶液的浓度范围为6.0～10.0g/L；
优选地，上述浓度的酸化碳纳米管溶液选取2～6ml，三聚氰胺溶液选取5～8ml，氧化石墨烯溶液选取0.2～1.0ml；
优选地，所述酸化碳纳米管溶液：三聚氰胺溶液：氧化石墨烯溶液的体积比可以为2.0:7.5:0.5。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜的制备方法，所述用于配置酸化碳纳米管溶液的酸化碳纳米管的制备方法，具体包括如下步骤：
首先将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，升温至90～100℃回流4～6h，然后冷却并用蒸馏水稀释，洗涤抽滤至滤液呈中性，最后将抽滤得到的滤饼干燥、冷却后研磨，得到酸化碳纳米管；
优选地，所述浓硫酸：浓硝酸的体积比为3:1，其中浓硫酸的浓度为18.4mol/L，浓硝酸的浓度为14.4mol/L；
优选地，所述洗涤抽滤过程采用Φ50mm的0.2～1.0μm的聚醚砜微孔滤膜抽滤。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜制备方法，所述三聚氰胺溶液是将三聚氰胺加入水中，加热至80～100℃后溶解得到。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜制备方法，所述复合膜以0.2～1.0μm的聚醚砜滤膜为基底膜；
优选地，所述复合膜滴加浓盐酸后，置于100～120℃的温度下交联，所述交联时间为1.0～1.5h。
一种改性氧化石墨烯膜的用途，所述改性氧化石墨烯膜用于膜分离技术。
进一步，本发明的改性氧化石墨烯膜的用途，所述改性氧化石墨烯膜用于分理水溶液中的铀；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+的渗透率为5.0％～10.0％；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+和金属离子的渗透率比为1:1.5～1:4.0；
优选地，所述金属离子包括一价和/或二价金属离子；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+与一价金属离子的渗透率比为1:3.0～1:4.0；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+与二价金属离子的渗透率比为1:1.5～1:2.0。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的改性氧化石墨烯膜，为通过所述三聚氰胺和酸性氧化的碳纳米管共同改性的氧化石墨烯膜，改性过程增加了所述氧化石墨烯膜的稳定性，并增大了氧化石墨烯膜的层间距，从而增大了所述氧化石墨烯膜的水通量和离子的选择渗透能力，最终高效地分离废水中的铀与一价和/或二价金属离子。
附图说明
图1为GO和GO-CNT-Me膜的表面(a,b)和断面(c,d)的SEM图。
图2为GO、GO-CNT(5:1)和GO-CNT-Me膜的XRD图。
图3为GO和GO-CNT-Me膜的稳定性对比图。
图4为本发明的GO-CNT-Me膜的水通量测试图，其中实验条件为恒定0.18MPa的N2压力下。
图5为GO-CNT-Me膜对Na+、K+、Cs+的渗透性测试图，其中[M]＝5*10-4mol/L,[HNO3]＝1.0mol/L,T＝20℃。
图6为GO-CNT-Me膜对K+、Ca2+、UO2 2+的渗透分离测试图，其中：[M]＝5*10-4mol/L,[UO2 2+]＝5*10-6mol/L,[HNO3]＝1.0mol/L,T＝20℃。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式：本发明所述的改性氧化石墨烯膜，具体通过如下步骤制备得到：
首先制备酸化碳纳米管：即先将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中得到混合液A，所述浓硫酸：浓硝酸的体积比为3:1，其中浓硫酸的浓度为18.4mol/L，浓硝酸的浓度为14.4mol/L；将混合液A升温至90～100℃回流4～6h，然后冷却并用蒸馏水稀释，洗涤抽滤至滤液呈中性，最后将抽滤得到的滤饼干燥、冷却后研磨，得到酸化碳纳米管；所述洗涤抽滤过程采用Φ50mm的0.2～1.0μm的聚醚砜微孔滤膜抽滤；将得到酸化碳纳米管配置成酸化碳纳米管溶液。
将三聚氰胺加入水中，加热至80～100℃后溶解得到三聚氰胺溶液，再将所述酸化碳纳米管溶液与三聚氰胺溶液以及氧化石墨烯溶液混合，抽滤得到复合膜，所述复合膜以0.2～1.0μm的聚醚砜滤膜为基底膜；其中，所述酸化碳纳米管溶液的浓度为0.3～0.5g/L，所述三聚氰胺溶液的浓度范围为1.0～1.5g/L，所述氧化石墨烯溶液的浓度范围为6.0～10.0g/L，且所述酸化碳纳米管溶液：三聚氰胺溶液：氧化石墨烯溶液的体积比可以为2.0:7.5:0.5；
在所述复合膜上滴加浓盐酸，置于100～120℃的温度下交联1.0～1.5h，待交联完成后干燥并洗涤，最终得到改性氧化石墨烯膜。
测试所述改性氧化石墨烯膜的层间距为水通量为10～20L·m-2·h-1·bar-1，且对UO2 2+的渗透率可达5.0％～10.0％。
实施例1：
制备水溶性碳纳米管，称取2.0g原始碳纳米管，加入到150mL浓硫酸和50mL浓硝酸的混合溶液中，在100℃下回流5h，冷却，用蒸馏水稀释，用Φ50mm 0.45μm的聚醚砜微孔滤膜抽滤，洗涤至滤液呈中性；然后放在100℃的真空干燥箱里干燥4h，取出冷却，研磨即可得到酸化后的碳纳米管(CNT)，并将其配置成400ppm的溶液。
称取0.013g三聚氰胺(Me)加入到7.53mL水中，加热至90℃使三聚氰胺溶解。
分别移取0.47mL 8.58g/L的GO溶液和2mL 400ppm的CNT溶液加入到上述三聚氰胺溶液中，混合并搅拌均匀。以Φ50mm 0.45μm的聚醚砜滤膜为基底膜，滴加2mL混合液，在砂芯漏斗上真空抽滤，得到一层极薄的氧化石墨烯膜。均匀滴加2mL浓HCl在膜表面，然后抽干HCl溶液。取下复合膜，将其置于表面皿上，再在膜表层滴1mL的浓盐酸，将整体置于120℃的鼓风干燥箱中交联1h。最后，用去离子水洗涤3次，得到交联的GO-CNT-Me膜。
对比例1：GO膜：采用改进的Hummers法以天然石墨鳞片为原料合成氧化石墨，将氧化石墨加入到DMF(二甲基甲酰胺)溶液中，超声处理2.5h，得到氧化石墨烯分散液，真空抽滤制得GO膜。
对比例2：将氧化石墨烯配置成400ppm GO溶液，与400ppm CNT溶液按照质量比为5:1的比例进行混合，得到GO-CNT(5:1)膜。
分析由实施例1得到的GO-CNT-Me膜、对比例1及对比例2中的膜的各性能参数，得到图1～图6，如下所述：
图1为GO和GO-CNT-Me膜的表面(a,b)和断面(c,d)的SEM图。从图1-a和1-b中可以看出，GO膜表面平整且具有紧密的层状结构，而GO-CNT-Me膜的表面与GO一样致密平整，但表面分布有碳纳米管。从图1-c和图1-d断面图可以看出，GO-CNT-Me与GO一样具有致密的层状结构，但GO-CNT-Me膜的层间分布有碳纳米管，且层间较疏松，由此可见，三聚氰胺与碳纳米管的改性使得膜层间更疏松。
采用XRD研究GO-CNT-Me膜的层间距变化。如图1-2所示，为GO，GO-CNT(5:1)和GO-CNT-Me膜的XRD图。从图1-2中看出，GO，GO-CNT(5:1)(将氧化石墨烯配置成400ppm GO溶液，与400ppm CNT溶液按照质量比为5:1的比例进行混合)和GO-CNT-Me膜的2θ角分别为11.90°，10.76°和8.18°，由布拉格公式计算得到GO，GO-CNT(5:1)和GO-CNT-Me膜的层间距分别为和层间距顺序为：GO<GO-CNT(5:1)<GO-CNT-Me，说明使用三聚氰胺和碳纳米管改性的氧化石墨烯膜具有明显增大的层间距。
进一步研究GO-CNT-Me膜的稳定性，将GO和GO-CNT-Me膜在水中浸泡，24h后查看膜的完整性，其结果如图1-3所示，从图中可以看出，两种膜在水中浸泡24h后，膜表面依旧十分完整。继续对浸泡过的膜进行超声处理，GO膜仅维持1s就破裂，而GO-CNT-Me膜59s后才破裂，说明本发明所述的三聚氰胺和碳纳米管改性后的氧化石墨烯膜在水溶液中非常稳定。
测试本发明所述的GO-CNT-Me膜的水通量。结果如图1-4所示，在恒定0.18MPa的N2压力下，GO(400ppm)、GO-CNT和GO-CNT-Me膜的水通量分别为10.71、10.52和19.69L·m-2·h-1·bar-1，分析原因，由于GO、GO-CNT(5:1)和GO-CNT-Me膜的层间距分别为和随着层间距的增大，膜的水通量也在逐渐增加。本发明所述的GO-CNT-Me膜的水通量为19.69L·m-2·h-1·bar-1，远高于现有技术中其他氧化石墨烯膜的水通量(例如多壁碳纳米管插层石墨烯纳米过滤膜(G-CNTm)的水通量：11.3L·m-2·h-1·bar)。
测试GO-CNT-Me膜对碱金属Na+、K+、Cs+的渗透性能。如图1-5所示，结果表明，三种金属离子渗透率分别为26.62％(Na+)、27.95％(K+)、28.9％(Cs+)，渗透顺序为Cs+>Na+>K+，由于Na+、K+、Cs+的水合离子半径分别为 (RNa +>RK +>RCs +)，表明水合离子半径越大，渗透率越小。
如图1-6，测试GO-CNT-Me膜对金属K+、Ca2+、UO2 2+的渗透分离。结果表明，三种金属离子渗透率分别为26.8％(K+)、15.43％(Ca2+)、8.26％(UO2 2+)，渗透顺序为K+>Ca2+>UO2 2+。一方面，由于K+和Ca2+的水合离子半径均小于UO2 2+的水合离子半径，水合离子半径越小，渗透率越大；另一方面，UO2 2+易与膜上的三聚氰胺所含的N原子配位，将UO2 2+固定在层间，使得其渗透率减小。从图1-6也可以得到，K+与UO2 2+的分离比为3.24:1，Ca2+与UO2 2+的分离比为1.86:1，即GO-CNT-Me膜具有选择配位UO2 2+的能力，使得UO2 2+被截留，而一价和二价金属离子能渗透通过膜，最终实现UO2 2+与一、二价金属离子分离的目的。
实施例2：
实施例2与实施例1的不同之处仅在于：制备复合膜的过程中，所述CNT溶液的质量为实施例1中的2倍。最终的得到的交联后膜的层间距为水通量为13.53L·m-2·h-1·bar-1，对UO2 2+的渗透率为6.76％。
实施例3：
实施例3与实施例1的不同之处仅在于：制备复合膜的过程中，所述CNT溶液的质量为实施例1中的3倍。最终的得到的交联后膜的层间距为水通量为10.94L·m-2·h-1·bar-1，对UO2 2+的渗透率为5.61％。

Claims (10)

1.一种改性氧化石墨烯膜，其特征在于：所述改性氧化石墨烯膜(GO-CNT-Me)为三聚氰胺(Me)和酸性氧化碳纳米管(CNT)共同改性的氧化石墨烯(GO)膜。
2.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯膜，其特征在于，所述改性氧化石墨烯膜为层间距为
3.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯膜，其特征在于，所述改性氧化石墨烯膜为水通量为10～20L·m-2·h-1·bar-1的改性氧化石墨烯膜。
4.一种改性氧化石墨烯膜的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：首先制备酸化碳纳米管，并配置成酸化碳纳米管溶液；再将所述酸化碳纳米管溶液与三聚氰胺溶液以及氧化石墨烯溶液混合，抽滤得到复合膜；在所述复合膜上滴加浓盐酸，待交联完成后干燥并洗涤，最终得到改性氧化石墨烯膜。
5.根据权利要求4所述的改性氧化石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述复合膜的制备过程中，所述酸化碳纳米管溶液的浓0.3～0.5g/L，所述三聚氰胺溶液的浓度范围为1.0～1.5g/L，所述氧化石墨烯溶液的浓度范围为6.0～10.0g/L；且所述酸化碳纳米管溶液：三聚氰胺溶液：氧化石墨烯溶液的体积比为2.0:7.5:0.5。
6.根据权利要求5所述的改性氧化石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述用于配置酸化碳纳米管溶液的酸化碳纳米管的制备方法，具体包括如下步骤：
首先将碳纳米管加入到浓硫酸和浓硝酸的混合溶液中，升温至90～100℃回流4～6h，然后冷却并用蒸馏水稀释，洗涤抽滤至滤液呈中性，最后将抽滤得到的滤饼干燥、冷却后研磨，得到酸化碳纳米管；
优选地，所述浓硫酸：浓硝酸的体积比为3:1，其中浓硫酸的浓度为18.4mol/L，浓硝酸的浓度为14.4mol/L；
优选地，所述洗涤抽滤过程采用Φ50mm的0.2～1.0μm的聚醚砜微孔滤膜抽滤。
7.根据权利要求4-6任一项所述的改性氧化石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述三聚氰胺溶液是将三聚氰胺加入水中，加热至80～100℃后溶解得到。
8.根据权利要求4-7任一项所述的改性氧化石墨烯膜的制备方法，其特征在于，所述复合膜以0.2～1.0μm聚醚砜滤膜为基底膜；
优选地，所述复合膜滴加浓盐酸后，置于100～120℃的温度下交联，所述交联时间为1.0～1.5h。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的改性氧化石墨烯膜的用途，其特征在于，所述改性氧化石墨烯膜用于膜分离技术。
10.根据权利要求9所述的改性氧化石墨烯膜的用途，其特征在于，所述改性氧化石墨烯膜用于分理水溶液中的铀；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+的渗透率为5.0％～10.0％；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+和金属离子的渗透率比为1:1.5～1:4.0；
优选地，所述金属离子包括一价和/或二价金属离子；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+与一价金属离子的渗透率比为1:3.0～1:4.0；
优选地，所述改性氧化石墨烯膜对UO2 2+与二价金属离子的渗透率比为1:1.5～1:2.0。
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