[發明專利]一種高強度氧化石墨烯/聚酰亞胺混合基質膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610931113.2
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN108014657B
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 黃愛生;馮博
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: B01D71/64
• 分類號: B01D71/64;B01D71/02;B01D69/02;B01D67/00;C02F1/44;C02F103/08
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 馬莉華;劉妍珺

本發明涉及一種高強度氧化石墨烯/聚酰亞胺混合基質膜及其制備方法和應用。具體地，本發明公開了一種氧化石墨烯/聚酰亞胺混合基質膜，形成所述混合基質膜的材料包含聚酰亞胺和摻雜于所述聚酰亞胺中的氧化石墨烯，且所述混合基質膜的表面和內部結構不同，所述混合基質膜的表面為致密層且基本不含孔隙，所述混合基質膜的內部為多孔結構且所述多孔結構的孔徑≥3μm。本發明還公開了所述氧化石墨烯/聚酰亞胺混合基質膜的制備方法和應用。所述氧化石墨烯/聚酰亞胺混合基質膜具有優異的親水性、機械強度和海水淡化處理性能。所述制備方法工藝簡單、成本低、非常適合大規模推廣。

技術領域

本發明涉及材料領域，具體地涉及一種高強度氧化石墨烯/聚酰亞胺混合基質膜及其制備方法和應用。

背景技術

水是生命之源，是萬物生長的基本條件。伴隨著人口數量的劇烈增長，工業、農業等基礎產業的迅猛發展，以及環境污染問題的日益加劇，水資源極度緊缺已成為一個世界性的普遍問題。全世界有100多個國家存在不同程度的缺水問題。我國的人均水資源占有量只有2200m³，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源占有量最貧乏的13個國家之一。在我國有大約2/3的城市處于缺水狀態，110個城市出現嚴重缺水現象。

此外，由于對水資源利用、開發的不恰當，導致了各種形式的水污染，如酸化、水體富營養化、油污污染、重金屬污染等等。這些水污染現象，已對生態環境和人類健康構成了重大威脅，并且已經嚴重阻礙了經濟和社會的可持續發展。因此，現在迫切要解決的問題是如何増加淡水資源量，以滿足現今社會經濟的發展和人類生活的需求。地球上的海洋水的體積占總水量的約97.2％，余下的主要包括地下水、河流、湖泊及冰川，其中人類使用的淡水資源量不足總資源量的0.2％。我國海域遼闊，如果在沿海地區大面積使用海水淡化技術，則可大大緩解用水壓力。因此，海水淡化具有重大戰略意義和發展前景。

目前，廣泛使用的海水淡化方法主要有：多級閃蒸技術、反滲透(RO)膜技術、低溫多效蒸餾技術、太陽能法、電滲析以及低壓汽蒸餾等。與傳統的分離方法相比，滲透汽化法作為一種新型的膜分離技術，其具有能耗較低且脫鹽率高的特點，因此滲透汽化法海水脫鹽具有很大應用潛力。目前應用最廣泛的膜材料主要有兩大類：有機高分子膜和無機膜材料，其中，有機高分子膜材料具有制備工藝簡單、容易成型、價格低廉且有很高的脫鹽性能的特點，但是其在有機溶劑中存在穩定性差、易被腐蝕、使用壽命短、需要頻繁清洗和更換的不足，這顯著增加了制水成本。與之相比，無機膜材料(如沸石分子篩膜)具有良好的熱穩定性和化學穩定性以及較長的使用壽命，能夠有效彌補現有有機膜材料的不足，但是無機膜材料在制備過程中很容易產生缺陷，其脆性大且彈性小，非常難以加工成型及裝備組件。因此，開發一種具有高穩定、高通量和高選擇性的新型海水淡化膜材料仍然是一個挑戰。

2004年，單片層石墨烯的發現激發起科學界對碳納米材料的研究熱潮。2010年，Andre Geim和Konstantin Novoselov獲得諾貝爾物理學獎，表彰他們在石墨烯研究上的卓越貢獻。此后，人們開始研究石墨烯及氧化石墨烯在膜分離領域的設計、制備和應用。

氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，其表面含有大量官能團(如-OH、-COOH、C-O-C等)，這些官能團賦予了氧化石墨烯一些新的特性(如分散性良好、與水的作用改變、增加了其與聚合物的相互作用性等)。目前，研究人員已經研究出了多種氧化石墨烯膜和氧化石墨烯與其他材料相結合的復合膜，使得氧化石墨烯在氣體分離和海水淡化等能源領域的應用顯示出很大的潛力。

研究表明，單分子層的氧化石墨烯強度很高，但是將單層氧化石墨烯組裝成氧化石墨烯膜后強度就會很低，在應用過程中很容易出現缺陷，分離性能也會受到很大降低。目前研究報導的氧化石墨烯膜都是通過滴涂、旋涂、真空抽濾法制備，其孔道不可調控，而且其厚度一般都在納米級，這種薄膜在應用過程中很容易吸水膨脹，進而膜表面會出現裂縫，導致其分離性能下降。

因此，本領域急需開發一種新型的制備方法簡單可控、具有高機械強度、高穩定性和高分離性能的海水淡化分離膜。