[发明专利]可原位生成表面纳米气泡的氧化石墨烯水处理膜制备方法

说明书

本发明公开了一种可原位生成表面纳米气泡的氧化石墨烯水处理膜制备方法，采用氧化聚合法在氧化石墨烯表面原位生长高分子纳米阵列制备复合物；在溶剂中分散复合物得分散液；在微滤膜表面真空抽滤成膜，经热处理，疏水高分子纳米阵列由溶胀变收缩，强内聚力使纳米片产生褶皱，从而得到可原位生成表面纳米气泡的氧化石墨烯水处理膜。本发明采用真空抽滤及热处理方法制膜，过程简单；将该膜浸入水中，疏水区可使水中气体在膜表面富集形成表面纳米气泡，亲水区及几何褶皱结构可保持表面纳米气泡稳定存在，表面纳米气泡的生成改变了膜孔道壁面的物理化学特性，使固‑液界面部分转换为低摩擦的气‑液界面，显著减小了流体流动阻力，有效提升膜渗透性能。

技术领域

本发明涉及水处理膜制备技术领域，具体涉及可原位生成表面纳米气泡的氧化石墨烯水处理膜制备方法。

背景技术

水资源匮乏与水污染加剧已成为21世纪制约人类社会高质量发展的两大主要挑战，因此高效水处理技术成为重大需求。膜分离技术作为一种绿色分离技术近年来得到迅猛发展。膜分离技术是一种在外加驱动力的作用下，对混合体系进行分离、浓缩和净化的分离技术，已被广泛应用于海水淡化、苦咸水脱盐、工业废水和生活污水深度处理与资源化等领域。

膜材料是膜分离技术的核心，高端膜材料研制是膜技术可持续发展的必然趋势。传统水处理膜材料普遍存在膜渗透性偏低的问题，严重限制了膜的水处理效率。具体体现在膜面积大(设备占地面积大)，处理能耗高。因此很大程度上制约了膜技术在水处理领域的广泛应用。传统水处理膜主要为高分子膜，多为聚砜类、纤维素类、聚烯烃类、聚酰胺类和含氟类高分子等材料，通过非溶剂致相分离(NIPS)、热致相分离(TIPS)、蒸发致相分离(VIPS)、反应诱导相分离(RIPS)、界面聚合、溶胶凝胶、辐照、拉伸等方法制备。由于传统高分子材料制备过程中形成的网络结构随机性强，因此膜孔及膜表面结构等可控性较差，导致膜内亲疏水区域、膜厚度及孔径分布不均，孔隙率低等缺陷，使得膜渗透性较低且不稳定，从而成为制约水处理膜发展的瓶颈问题。

近年来，氧化石墨烯作为一种新型膜材料已成为分离膜领域研究的热点。其优势在于氧化石墨烯二维纳米材料具有原子级别厚度，可通过真空抽滤组装得到具有规则层间通道的高性能分离膜，制膜方法简便、可控、通用性强。此外，氧化石墨烯优良的刚柔性及表面丰富的含氧基团特性使其易于进行物理加工及化学改性。通过不同手段对氧化石墨烯纳米片物理化学结构进行调节(如通过功能离子、分子或纳米材料插层或修饰等方法)，可实现膜内通道物理结构(如尺寸、形貌)和化学结构(如极性、反应活性)的精密调控和膜分离过程高效强化。需要注意的是，虽然氧化石墨烯膜具有以上优势，并在渗透蒸发、气体分离等领域表现出了优异的渗透性能，但在水处理过程中受制于流体与通道壁面之间的强相互作用，水在氧化石墨烯纳米片层间流动阻力较大，导致膜较难达到理想渗透性能。因此基于纳米流体学，设计新型膜结构，研究纳米尺度限域空间内流体流动方式以减小流体流动阻力，是提升水处理膜渗透性能的有效手段，是实现节能减排，契合碳达峰与碳中和的重要途径。

发明内容

针对现有技术，为了制备高渗透通量水处理膜，本发明将氧化石墨烯膜内纳米通道设计成亲疏水相间的褶皱结构(即“几何-化学双异相结构”)，几何-化学双异相结构中疏水区可捕获水中气体并原位生成表面纳米气泡；亲水区及几何褶皱结构可保持表面纳米气泡稳定存在。表面纳米气泡改变了膜通道壁面特性，使高摩擦阻力的固-液界面部分转换为低摩擦阻力的气-液界面，从而显著减小了流体流动阻力，膜渗透性能得以大幅度提升，此项技术国内外目前未见报道。

本发明的目的在于进一步提升水处理膜渗透性能，提供一种可原位生成表面纳米气泡的氧化石墨烯水处理膜制备方法,通过在亲水氧化石墨烯表面修饰疏水高分子纳米阵列，制备复合物；将其分散于适宜有机溶剂中抽滤成膜；经热处理，疏水高分子纳米阵列由溶胀变收缩，强内聚力使纳米片产生褶皱，从而制备几何-化学双异相氧化石墨烯水处理膜。将膜浸入水中，疏水区可使水中气体富集到膜表面形成表面纳米气泡；亲水区及几何褶皱结构可保持表面纳米气泡稳定存在，从而得到原位生成表面纳米气泡的几何-化学双异相氧化石墨烯水处理膜。具体步骤如下：