[发明专利]一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用

说明书

本发明公开了一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用，包括以下步骤：(1)前驱体的制备：将石墨烯量子点与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，再将过硫酸铵‑盐酸溶液缓慢加入上述溶液，冰浴下反应，然后分离、干燥后获得前驱体粉末；(2)导电复合膜的制备：将前驱体粉末和十二烷基苯磺酸钠分散于水中，得到前驱体分散液；在有机基底膜表面进行抽滤处理，将前驱体和交联剂固定于基底膜上，然后将所得的膜浸入戊二醛‑盐酸溶液中进行交联，最后取出烘干，得到导电复合膜。本发明的导电复合膜具有更高的非法拉第电容，有利于提高对带电污染物的静电排斥力，可用于水处理以及其他膜分离/资源回收应用。

技术领域

本发明属于膜材料及水处理技术领域，具体涉及一种可通过电化学方法自清洁的碳纳米材料-有机导电复合膜的制备方法及用膜法水处理应用。

背景技术

膜污染是膜法水处理技术应用面临的最关键挑战。目前控制膜污染的常用方法包括物理清洗(如水力学冲刷和反冲洗)和化学清洗(如添加氧化剂、酸、碱等)和电化学抗污染技术等。其中，电化学膜污染控制技术主要通过对膜表面施加一定的电场，利用静电排斥作用减少膜污染物在膜表面的吸附或通过电化学反应产生自由基等活性物质原位降解膜污染物，该方法具有操作简便、环境友好等优点，具有广阔的发展应用前景。为了降低能量损耗和增强电化学抗污染效果，目前常用的方式是在有机基底膜上再增加一层由碳纳米管(CNT)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(Ppy)等导电材料构成的导电层，或者直接在膜内部掺入导电纳米材料构成具有较强导电性的复合膜。导电层表面的电荷密度直接决定膜的静电排斥效果。然而，现有的导电膜普遍采用单一的碳纳米材料或导电聚合物材料进行修饰，受到材料本身的结构、化学特性限制，其表面所带电荷量有限。此外，采用表面修饰的导电膜普遍机械强度较低，其长期运行稳定性较差。上述不足之处严重制约了其电化学抗污染膜的应用效果。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种电化学自清洁导电复合膜的制备方法及水处理应用，本发明首先利用石墨烯量子点(GQDs)等具有较高电容的纳米材料和PANI对CNT等导电碳纳米材料进行表面修饰，制备具有优异导电性能和电容的前驱体。接着，利用聚醚砜(PES)等有机聚合膜作为基底膜(支撑层)，通过抽滤的方式将前驱体和聚乙烯醇(PVA)交联剂(共同作为导电层)固定于基底膜上；本发明所制备的导电复合膜具有更高表面电荷密度，该复合膜的导电层不仅具有较高导电性(可降低电能损耗)，而且具有较高电容性能(能提供更高的电荷密度)。本发明利用具有高电容性材料来构建导电层，制备的复合膜对蛋白、腐殖质等带负电荷的物质(水中常见的膜污染物)具有很强的静电排斥作用，该导电复合膜可用于水处理以及其他膜分离/资源回收应用。

本发明的技术方案为：

本发明涉及了一种导电复合膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)前驱体的制备：将石墨烯量子点(GQDs)与碳纳米材料分散于溶剂中，在冰浴下加入苯胺和浓盐酸，再将过硫酸铵-盐酸溶液缓慢加入上述溶液，冰浴下反应，然后分离、干燥后获得前驱体粉末；

(2)导电复合膜的制备：将步骤(1)获得的前驱体粉末和十二烷基苯磺酸钠分散于水中，得到前驱体分散液；在有机基底膜表面进行抽滤处理，将前驱体和交联剂固定于有机基底膜上，然后将所得的膜浸入戊二醛-盐酸溶液中进行交联，最后取出烘干，得到导电复合膜。

优选地，石墨烯量子点的制备过程为：用电化学氧化石墨电极，经离心、透析纯化后，得到含石墨烯量子点的溶液。将所得的含石墨烯量子点的溶液冷冻干燥，可以得到GQDs粉末，基于GQDs粉末的质量可以进一步计算溶液浓度。

优选地，制备石墨烯量子点的过程中，基于电化学系统氧化石墨电极，所述电化学系统采用0.05-0.3mol/L KH₂PO₄作为电解质溶液，设定电压为2-5V，氧化处理2-6h；离心条件为9000-12000rpm下离心0.5-1h；透析条件为2000-3500D纯水透析1-3d。