[发明专利]选择性渗透的氧化石墨烯元件

说明书

本文描述的是包含石墨烯材料和磺化聚合物材料的复合材料。将石墨烯/磺化聚合物复合材料涂覆到基底上以提供选择性渗透膜。本公开的选择性渗透膜提供高水分渗透率和低气体渗透率。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年5月2日提交的美国临时申请62/666,044和2018年6月21日提交的美国临时申请62/688,308的权益。

技术领域

本发明的实施方式涉及聚合物膜，并提供了一种包括石墨烯材料用于从空气或其他气流中除去水或水蒸气的膜。

背景技术

空气中高水分含量的存在可能通过促进霉菌、真菌和尘螨的生长而导致严重的健康问题。在制造和存储设施中，高湿度环境可能会加速产品降解、粉末团聚、种子发芽、腐蚀以及化学、制药、食品和电子行业中的其他不良影响。使空气脱水的常规方法是使湿空气通过吸湿剂，例如乙二醇、硅胶、分子筛、氯化钙和五氧化二磷。该方法的缺点是必须定期更换或再生干燥剂，这使脱水过程昂贵且费时。空气脱水的另一种方法是低温方法，该方法包括压缩和冷却湿空气以冷凝水分，然后将其除去。然而，这种方法非常耗能。

与传统除湿技术相比，基于膜的气体除湿技术具有明显的技术和经济优势。

石墨烯材料具有许多吸引人的性质，例如具有异常高的机械强度和纳米级厚度的二维片状结构。氧化石墨烯是石墨的剥离的氧化产物，可以低成本大量生产。由于氧化石墨烯的高度氧化，因此其具有高水渗透率，并且可以很容易地以各种不同的方式进行官能化。由于其多功能性，石墨烯材料具有作为脱水膜的潜力。

发明内容

本发明的实施方式包括包含磺化聚合物和石墨烯材料的膜，与纯净的非磺化聚合物膜相比，该膜可以减少水溶胀并改善H₂O/气体选择性。与传统的聚合物(例如，PVA)膜相比，一些实施方式可以提供改进的脱水膜。本发明的实施方式包括选择性渗透元件，该元件可用于在期望使气体渗透率最小化，同时允许流体或水蒸气通过的应用中。

一些实施方式包括选择性渗透的膜，例如脱水膜，所述膜包含：支撑体；包含石墨烯化合物(例如氧化石墨烯化合物)和磺化聚合物的复合材料，其中所述磺化聚合物选自磺化聚乙烯醇(s-PVA)、磺化聚丙烯酸(s-PAA)、磺化聚醚醚酮(s-PEEK)和磺化聚苯乙烯(s-PS)；并且其中所述复合材料被涂覆在支撑体上。在一些实施方式中，膜具有高水分渗透率和低气体渗透率。

一些实施方式包括一种用于制备水分渗透和/或气体阻挡元件的方法。所述方法可以包括在水性混合物中混合磺化聚合物和石墨烯化合物，例如氧化石墨烯化合物。

一些实施方式包括从气体混合物中分离特定气体或使气体脱水的方法，所述方法包括横跨选择性渗透膜如脱水膜施加压力梯度(包括该特定气体的分压梯度)以引起特定气体例如水蒸气选择性通过脱水膜，其中第一气体向所述膜的第一侧施加的压力或待分离的特定气体的分压比在所述膜的另一侧上的通过第二气体施加的压力或待分离的特定气体的分压更高，使得特定气体例如水蒸气从所述第一气体穿过所述脱水膜到所述第二气体中。

附图说明

图1是可用于分离或脱水应用中的纳米复合膜器件的可能实施方式的图示。

图2是用于制备分离/脱水元件和/或器件的方法的实施方式的图示。

具体实施方式

本公开涉及气体分离膜，其中具有低气体(例如，氧气和/或氮气)渗透率的高水分渗透率膜可用于实现脱水。该膜材料可适用于空气、氧气、氮气、氢气、甲烷、丙烯、二氧化碳、天然气、甲醇、乙醇和/或异丙醇的除湿。一些实施方式包括水分渗透的GO-磺化聚合物膜组合物，并且该膜可以具有高的H₂O/空气选择性。这些实施方式可以具有改进的能量和分离效率。