[发明专利]官能化单层石墨烯基薄膜复合材料及其制造方法

说明书

本发明涉及官能化单层石墨烯基薄膜复合材料及其制造方法。更具体而言，本发明涉及一种用于低压淡化的包含水通道的官能化单层石墨烯基薄膜复合材料。

技术领域

本发明涉及官能化单层石墨烯基薄膜复合材料及其制造方法。更具体而言，本发明涉及一种用于低压淡化(desalination)的包含水通道的官能化单层石墨基薄膜复合材料。

背景技术

地球上每个生物都需要水。由于人口增长和淡水资源稀缺，世界各地的淡水短缺正在迅速增加。联合国“粮农组织”指出，到2025年，约有18亿人生活在缺水的国家或地区，儿童基金会估计每天有2000名五岁以下的儿童因腹泻而死亡，其中1800人死亡与水、公共卫生(sanitation)和个人卫生(hygiene)有关。尽管地球上几乎71％(体积)被水覆盖，其中97％是海水(盐水)，并且无法用于消费。其余3％的地球水资源被认为是淡水。然而，该3％中的98.8％存在于极冠和地下。人类只能获得世界总水量的约0.03％，使得淡水成为稀缺资源。由于地球这么高的百分比充满了海水，将海水转化为饮用水将会解决许多缺水问题。

国内和工业用水处理、分配和收集的全球市场为5568亿美元。目前的全球海水淡化市场每年为150亿美元，复合年增长率(CAGR)为13％。图1显示了近年来海水淡化市场的增长。

随着对高质量水的需求不断增长，许多新的淡化技术正在开发中，以满足海水和其他水源的饮用和非饮用水需求。由于高能耗率，传统的热淡化过程如多阶段闪蒸(MSF)、多效蒸发(MEE)和热或机械蒸气压缩(VC)的成本太高且能源效率低下。反渗透(RO)是目前最流行的淡化方法。

20世纪50和60年代，在加州大学洛杉矶分校(UCLA)开发的第一种商业上可行的反渗透(RO)膜技术使由盐水源制造淡水成为可能，但是在20世纪70和80年代被更多有效的复合膜所替代，所述复合膜由在多孔聚合物载体顶部浇铸(cast)的薄(纳米级)聚合物膜组成。薄膜复合材料(TFC)是由三层结合在一起而构制成的反渗透膜(参见图2)。不对称设计的两个基层具有沉积在表面上的聚酰胺或带电聚砜的薄皮(第3)层。薄膜是拒盐层，其中两个基层提供主要功能是强度的多孔结构。

三十多年后，薄膜复合(TFC)膜仍然是RO膜技术中的最先进的技术。虽然现代TFC膜从高度污染的来源(例如废水、海水)产生非常纯净的水，但是能量消耗和高的水制造成本阻碍了广泛的实施。使用间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)的这种常规TFC涂层的另一个主要缺点是其对氧化剂如氯的耐受性差，氯是淡化过程中广泛使用的经济消毒剂。(Journal of Membrane Science 403-404(2012)152-161)。图3显示了典型的薄膜复合材料(TFC)反应。

自从约50年前，Loeb和Sourirajan在1964年开发了第一个合成膜，由于其可靠性和易操作性，膜基过滤系统在淡化和废水处理中得以扩散应用。除了RO膜之外，基于生物吸收材料(嵌段共聚物、羟基化石墨烯/氧化石墨烯和碳纳米管和水通道蛋白)的膜在淡化中受到越来越多的关注。

因此，希望提供一种包括水通道的官能化单层石墨烯基薄膜复合材料及其制造方法，以寻求解决上述问题中的至少一个问题，或至少提供替代方案。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种官能化单层石墨烯基薄膜复合材料。所述官能化单层石墨烯基薄膜复合材料包含至少具有胺官能团的第一组分和与所述第一组分形成酰胺键的至少具有-COCl官能团的第二组分以在所述薄膜复合材料中形成多个水通道，其中至少一个所述组分是用所述官能团官能化的石墨烯。

根据本发明的第二方面，提供了一种石墨烯基薄膜复合膜。所述石墨烯基薄膜复合膜包括多孔基材；和官能化单层石墨烯基薄膜复合材料，其包含至少具有胺官能团的第一组分和与所述第一组分形成酰胺键的至少具有-COCl官能团的第二组分以在所述薄膜复合材料中形成多个水通道，其中至少一个所述组分是用所述官能团官能化的石墨烯。