[发明专利]一种复合脱盐膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米环境材料的应用领域，特别涉及一种具有高脱盐性能与高水通透性的复合脱盐膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球清洁淡水资源的严重短缺与污染，水脱盐技术显得格外重要。目前广泛使用的水脱盐技术主要有热多级闪蒸、热多效蒸馏、电渗析以及薄膜反渗透技术，其中薄膜反渗透技术由于能耗低而受到广泛关注，并将在未来得到更大范围的应用。目前，在薄膜反渗透技术中广泛使用的是有机聚胺膜，由于其具有柔性、价格低廉以及制备简单等优点。与此同时，有机聚胺膜的耐化学性差、寿命短以及薄膜污染严重等也是限制薄膜反渗透技术发展的严重问题。因此，新型反渗透膜的开发对于反渗透技术在水脱盐领域的应用至关重要。

石墨烯(Graphene)[参考文献1：K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,A.A.Firsov.Electric field effect in atomically thin carbon films.Science,2004,306:666-669]，是由sp²杂化的碳原子排列在蜂窝状点阵结构中组成的二维晶体材料，因具有优异的性能而引起广泛的研究兴趣，研究人员正在探索石墨烯在水脱盐领域的潜在应用。对于完美的石墨烯单晶体，气体以及液体均无法进行横跨膜渗透，因而研究结果表明，石墨烯是迄今为止发现的最薄的、有能力分离不同两相的阻挡膜材料[参考文献2：J.S.Bunch,S.S.Verbridge,J.S.Alden,A.M.Zande,J.M.Parpia,H.G.Craighead,P.L.McEuen.Impermeable atomic membranes from graphene sheets.Nano Lett.,2008,8:2458-2462.]。另一方面，将局部氧化的微米量级尺寸的石墨烯薄片(氧化石墨烯)相互堆叠，所形成的宏观层状薄膜中由sp²芳香团簇相互连接构成的sp²纳米毛细管网络对水分子表现出超快的传输特性[参考文献3：N.N.Nair,H.A.Wu,P.N.Jayaram,I.V.Grigorieva,A.K.Geim.Unimpeded permeation of water through helium-leak–tight graphene-based membranes.Science 2012,335:442–444.]，并且对水体中不同溶质表现出优异的选择渗透特性[参考文献4：R.K.Joshi,P.Carbone,F.C.Wang,V.G.Kravets,Y.Su,I.V.Grigorieva,H.A.Wu,A.K.Geim,R.R.Nair.Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes.Science2014,343:752–754.]，使得层状氧化石墨烯薄膜在过滤与分离领域具备广阔的应用前景。然而，水合半径小于0.45nm的溶质具有超快的渗透速率[参考文献4]，这使得由微米尺度氧化石墨烯薄片组成的层状薄膜在水脱盐领域的应用受到限制。另外，研究结果表明，通过还原来调控氧化石墨烯薄膜的层间距使其小于0.7nm，即可从水溶液中去除钠离子，进而实现水脱盐[参考文献5：B.Mi.Graphene oxide membranes for ionic and molecular sieving.Science 2014,343:740–742.]，但同时还原氧化石墨烯薄膜的水通透性也极具变差[参考文献3]。当薄膜中的氧化石墨烯薄片被充分还原并紧密堆叠，所形成的层状薄膜中sp²纳米毛细管网络关闭，对水分子及任何盐离子均完全不透，使得还原氧化石墨烯薄膜丧失脱盐性能[参考文献6：Y.Su,V.G.Kravets,S.L.Wong,J.Waters,A.K.Geim,R.R.Nair.Impermeable barrier films and protective coatings based on reduced graphene oxide.Nat.Comm.2014,5:4843.]。因此，通过调控氧化石墨烯薄膜的层间距及层间物理化学特性，进而实现氧化石墨烯薄膜的高效脱盐及其在水脱盐领域的应用至关重要。