[發明專利]大通量氧化石墨烯濾膜的制備方法及其離子篩分的應用

在審

• 申請號: 202010003915.3
• 申請日: 2020-01-03
• 公開（公告）號: CN113069936A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 方海平
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D67/00;C02F1/44;C02F101/20
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司 31203
• 代理人: 李鴻儒

本發明公開了一種對高價態金屬離子具有大通量、高截留及篩分的氧化石墨烯膜的制備方法，包括以下步驟：將20～160mL濃度為5～50mg/L的氧化石墨烯懸浮液，旋渦并超聲后靜置，抽濾成膜，獲得所述氧化石墨烯膜。本發明的制備方法過程簡便，不需要復雜工藝，不需任何物理、化學等方法交聯控制，保持水環境浸潤狀態，即可直接用于離子截留；本發明制備方法易于操作，使氧化石墨烯膜具有高效截留和篩選金屬高價態離子的作用，具有良好的應用前景。

技術領域

本發明屬于無機化學技術領域，具體的說，涉及一種氧化石墨烯膜的制備方法及氧化石墨烯膜的應用。

背景技術

氧化石墨烯膜在理論上認為具有超薄、高流量、節能等優異的濾膜特征，有可能成為過濾離子、分子的下一代濾膜(Science 2011,333,712-717)，在海水淡化、污水處理(Science2012,335,442-444；Adv Funct Mater 2013,23,3693-3700)、氣體分離(Acs Nano2016,10,3398-3409)、生物傳感(Nano Lett.2010,10,3163)、質子導體(Nano Lett.2008,8,2458；Nature 2014,516,227)、鋰電池(J Am Chem Soc 2012,134,8646-54)和超級電容(Acs Nano2011,5,5463-5471)等領域具有長遠的應用前景。由于氧化石墨烯膜內的層間通道是由片層之間相互作用疊加、自組裝而形成的，在溶液環境下，水分子在層間通道的快速滲透，使得片層之間的相互作用減弱，導致層間通道不穩定；甚至水分子在膜內的滲透導致氧化石墨烯膜在溶液中完全溶脹。這種不穩定的層間距及溶脹現象，使膜在水溶液中容易破損，保持對水溶液中的金屬離子的截留性能變得非常困難，這極大阻礙了氧化石墨烯膜在離子篩分、水處理領域的應用。

到目前為止，對于氧化石墨烯薄膜而言，為了穩定氧化石墨烯膜的層間通道，主要采用部分還原、化學基團交聯或物理限制的方法，以固定層間距并阻止氧化石墨烯膜在水溶液中的溶脹現象。但這些方法由于固定了膜內的層間距，只能對其中少數對應尺寸的離子進行截留，對離子種類的適用范圍小；無法同時對應多種不同尺寸的離子進行截留，無法實現靈活多變、選擇性的離子篩分。例如，現有技術中采用的化學基團交聯增大層間通道(Science2014,343,740-742；Environ.Sci.Technol.2013,47,3715-3723)，通道的固定使得截留的離子類型具有很大局限性。更重要的是，這些方法不僅工藝復雜、截留離子種類的適用范圍小，而且在處理后，在僅能截留少數金屬離子的同時，其水通量均小于10Lm^-2h^-1bar^-1(目前商業化凈水薄膜的水通量～2Lm^-2h^-1bar^-1)，難以實現真正的工業化應用。

因此，如何在保持氧化石墨烯膜及層通道的穩定性、保持對環境中常見的金屬陽離子的高截留率，同時具有更高的水通量，是氧化石墨烯膜應用于海水淡化、污水凈化中亟待解決的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有交聯技術中對氧化石墨烯膜內通道控制，導致水通量小、截留效率低的瓶頸；現有交聯技術中對層間通道控制后的膜，無法靈活調節通道大小導致截留應用范圍小，無法實現混合離子溶液中離子的有效篩分；而且，現有交聯技術工藝復雜，限制了實際產業化應用。目前利用氧化石墨烯膜進行金屬離子水溶液的截留，因其實際水通量小、截留效率低、層間距控制工藝復雜，實現工業化應用仍然具有很大挑戰。本發明的目的是提供一種對高價態金屬離子具有大通量(大于75.0Lm^-2h^-1bar^-1)、高截留(大于99.5％)及篩分的氧化石墨烯膜的制備方法。

本發明的第二個目的是提供一種所述氧化石墨烯膜的應用。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：