[发明专利]一种制备具有增强水通量膜的方法

说明书

本发明涉及一种制备具有增强水通量膜的方法。将原位合成的纳米颗粒‑石墨烯材料通过压力驱动的方法沉积在支撑体表面形成膜层。在原位合成的过程中，纳米颗粒均匀的生长在氧化石墨烯纳米片表面，使所制备的膜具有增大的层间水通道且保持有序的层状结构，从而实现增强的水通量。同时，纳米颗粒与石墨烯材料之间的作用力使所制备的膜具有良好的结构稳定性，使其适用于高压、错流的操作环境。该发明方法的特点是巧妙地优化了膜结构，在不牺牲选择性的前提下获得显著增强的水通量和膜结构稳定性，提高了膜分离效率；膜制备的工艺简单，便于实现石墨烯膜的规模化制备及实际应用。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种制备具有增强水通量膜的方法，尤其涉及一种原位合成纳米颗粒-石墨烯材料制备具有增强水通量膜的方法。

背景技术

面对日益严重的水资源短缺和水污染严重问题，迫切需要开发新型高效的净水技术。膜分离技术具有能耗低、无污染、操作简单、分离效率高等优点，被认为是最具发展前景的技术之一。目前，膜分离技术已广泛应用水处理领域，包括生活污水、工业废水(电厂废水、重金属废水、造纸工业、印染废水、石化工业废水和医药废水)、生活饮用水处理等。

石墨烯材料具有单原子层厚度，独特的二维结构，以及可调控的物化性质，自发现以来得到了研究者的广泛关注。氧化石墨烯是石墨烯材料的重要衍生物，表现出与石墨烯相似的性质。已有研究发现，堆叠的氧化石墨烯具有快速水通道，基于氧化石墨烯膜材料这样的性质，其在水净化和脱盐等方面应用的展现出广阔前景。然而在实际应用中，稳定性一直是氧化石墨烯膜所面临的重要挑战，这主要是由于氧化石墨烯纳米片在水中带有负电荷，静电作用会克服范德华力和氢键，使氧化石墨烯膜再分散，难以保持膜的完整性，从而限制了氧化石墨烯膜在水处理方面的实际应用。通过化学交联或还原的方法可以提高氧化石墨烯膜的稳定性，但是大幅度降低的水通量也降低了氧化石墨烯膜的分离效率。因此，急需开发一种有效的方法，在不牺牲截留率的条件下获得显著增强的水通量和膜结构稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了应对现有氧化石墨烯膜在实际应用中存在的问题，提供一种制备具有增强水通量膜的方法。采用将原位合成的纳米颗粒-石墨烯材料通过压力驱动的方法沉积在支撑体表面形成膜层的方法，具有简易可行，所制备的膜分离性能优异、稳定性好等优势。

本发明的技术方案为：一种制备具有增强水通量膜的方法，其具体步骤如下：

(1)原位合成纳米颗粒-石墨烯材料：使用溶剂热方法制备得到纳米颗粒-石墨烯材料；

(2)制膜液的配置：将所制备得到的纳米颗粒-石墨烯材料在溶剂中分散，配置成0.1～0.5mg/mL的制膜液，待用；

(3)膜的制备：将支撑体装入膜组件中，然后将步骤(2)中配置好的纳米颗粒-石墨烯分散液在压力驱动下沉积在支撑体表面成膜，最后将制备得到的膜置于真空干燥箱中下烘干。

优选步骤(1)中所述的溶剂热方法合成纳米颗粒-石墨烯材料；上述的溶剂热方法为常规合成方法，可参照现有文献(Angew Chem.,2005,117,2842-2845)。

优选步骤(1)中所述的纳米颗粒-石墨烯材料为四氧化三铁-石墨烯、二氧化钛-石墨烯或UiO-66-石墨烯材料等；其中合成的纳米颗粒-石墨烯材料中优选石墨烯材料横向片层尺寸为1～10μm，纳米颗粒尺寸为10～200nm；优选合成的纳米颗粒-石墨烯材料中石墨烯材料的质量占合成的纳米颗粒-石墨烯材料质量的20％-80％。

优选步骤(2)中所述的溶剂是水、乙醇水溶液或甲醇水溶液；其中乙醇水溶液或甲醇水溶液种优选水的体积含量为20～80％。

优选步骤(3)中所述的支撑体为陶瓷或有机支撑体；陶瓷支撑体材质为氧化锆、氧化铝、氧化锌、莫来石、氧化硅或氧化钛的一种或几种的复合支撑体；有机支撑体材质为聚乙烯、四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚丙烯、聚碳酸酯或聚酰亚胺。优选所述的支撑体的构型为平板、单管式或多通道管式或中空纤维式。