[發(fā)明專利]石墨烯基膜及其制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580080934.3
• 申請(qǐng)日: 2015-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN107709454B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹姆斯·安東尼·普林斯;索里拉亞盧·布瓦娜;安巴拉西·瓦南加穆迪;古爾德夫·辛格
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 義安理工學(xué)院
• 主分類號(hào): C08L51/10
• 分類號(hào): C08L51/10;C08L33/20;C08L33/24;C08L73/02;C08G73/10;B01D67/00;B01D71/78
• 代理公司: 北京五洲洋和知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11387
• 代理人: 劉春成

本發(fā)明涉及石墨烯基膜及其制造方法。所述石墨烯基膜包含石墨烯?聚合物復(fù)合材料，所述石墨烯?聚合物復(fù)合材料由胺官能化石墨烯和聚合物組成，所述聚合物含有酸酐基團(tuán)作為將所述胺官能化石墨烯連接至聚合物的連接子。所述石墨烯基膜由單層構(gòu)成。本發(fā)明的方法包括以下步驟：使含有酸酐的聚合物與胺官能化石墨烯在溶劑存在下反應(yīng)以形成中間產(chǎn)物；并將所述中間產(chǎn)物熱酰亞胺化以形成用于制造石墨烯基膜的石墨烯接枝聚合物復(fù)合材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石墨烯基膜及其制造方法。更具體地，本發(fā)明涉及包含石墨烯-聚合物復(fù)合材料的單層石墨烯基膜及其制造方法。

背景技術(shù)

世界各地影響人類的最普遍的問題之一是難以獲得清潔的淡水和衛(wèi)生條件。隨著對(duì)高品質(zhì)水的需求不斷增長(zhǎng)，正在開發(fā)許多新的凈水技術(shù)，以滿足飲用和非飲用的需求。基于膜的過濾系統(tǒng)的可靠性和易操作性使其在廢水處理中的使用激增。超濾(UF)就是這樣一種發(fā)展完善的低壓膜分離工藝，已經(jīng)應(yīng)用于食品、乳品、造紙、紡織、醫(yī)藥、化學(xué)和生物化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的水/廢水處理、反滲透預(yù)處理和分離等不同應(yīng)用。然而，在所有壓力驅(qū)動(dòng)膜工藝中膜污染仍然是不可避免的問題，導(dǎo)致膜性能劣化。這些問題通常源于流出水中有機(jī)物的累積，其起到了微生物附著并生長(zhǎng)到膜表面的支持作用。由此產(chǎn)生的膜污染效果如通量降低、排斥障礙(rejection impairment)和膜破裂等，導(dǎo)致運(yùn)行成本高，更換周期短。

有數(shù)種清潔方法-例如可用于再生膜的物理(反沖洗)和化學(xué)(化學(xué)清潔)方法。然而，這樣的方法通常需要高能量消耗和更多的化學(xué)用量。這些方法在清潔生物污垢方面是無效的，因?yàn)榧?xì)胞外聚合物質(zhì)被化學(xué)結(jié)合到膜表面，因此是最難清潔的結(jié)垢類型。防止膜表面上的生物污染總是比清潔已被污染的膜更好。膜材料對(duì)結(jié)垢更為敏感，因此，已經(jīng)不斷探索以開發(fā)新的膜材料或改性當(dāng)前的膜材料/膜表面以解決結(jié)垢的問題。

基于聚合物材料的膜被廣泛用于水處理。這是由于與無機(jī)材料基膜相比，它們的分離效率提高并且維護(hù)成本降低。如超濾(UF)和微濾(MF)等長(zhǎng)期基于液體的壓力驅(qū)動(dòng)分離工藝需要具有諸如良好的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐化學(xué)性等性質(zhì)的聚合物膜材料以降低維護(hù)成本。通常使用的聚合材料包括聚砜(PS)、乙酸纖維素(CA)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、硝酸纖維素(CN)、聚醚砜(PES)、聚丙烯腈(PAN)等。近年來，基于金屬有機(jī)骨架(MOF)的膜、基于嵌段共聚物的膜、基于碳納米材料的膜和基于水通道蛋白的生物模擬膜在脫鹽和水處理領(lǐng)域受到關(guān)注。

近年來，由于石墨烯具有較高的比表面積、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，在膜科學(xué)與工程領(lǐng)域也倍受關(guān)注。理論分析還預(yù)測(cè)，石墨烯基膜可能表現(xiàn)出比現(xiàn)有技術(shù)的膜高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的滲透率。然而，實(shí)驗(yàn)研究表明，由于與制造具有非常大的表面積的無泄漏多孔石墨烯膜相關(guān)的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)如此改善的滲透性受到限制。

近年來，碳納米管和石墨烯被視為新型納米填料，由于污染物與納米碳的離域p電子的相互作用，以提高聚合物超濾(UF)膜的選擇性和分離性能。據(jù)報(bào)道，納米碳基填料增強(qiáng)了聚合物膜的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。然而，普遍認(rèn)為負(fù)載石墨烯本質(zhì)上是疏水性的，其水接觸角在某種程度上高于石墨。而且，這些填料通常在聚合物基質(zhì)內(nèi)的分散相對(duì)較差，這是限制膜的防污性能的問題所在。

已經(jīng)嘗試生產(chǎn)石墨烯基膜。

US2015/0053607A1公開了一種石墨烯衍生物復(fù)合膜及其制造方法。石墨烯衍生物復(fù)合膜包括由多孔聚合物制成的支撐膜和設(shè)置在所述支撐膜上的多個(gè)石墨烯衍生物層。石墨烯衍生物和聚合物形成膜的不同層。

US2012/0255899A1公開了一種含石墨烯的分離膜。所述分離膜在聚合物載體的至少一個(gè)表面上包括聚合物載體和石墨烯。石墨烯可以與聚合物載體直接接觸，或者可以在聚合物載體和石墨烯之間提供中間層。石墨烯和聚合物形成不同層的膜。