[发明专利]一种氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的制备方法及应用方法

说明书

本发明属于膜分离水处理技术领域，提供了一种氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的制备方法及应用方法，其制备方法为：将酸化处理的碳纳米管真空抽滤到支撑膜基底上，形成分离膜的碳纳米管层；然后配制氧化石墨烯与二元胺和聚电解质的混合溶液，再将其真空抽滤到碳纳米管层上，形成氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜。其使用方法为：以氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的碳纳米管层为工作电极并施加电压，使氧化石墨烯层位于工作电极和对电极之间，采用错流过滤方式，进行电场辅助膜过滤。本发明提供的制备方法简单、易操作，无需昂贵的原料和设备；本发明可在电场辅助作用下实现水通量和离子截留性能的同时提高。

技术领域

本发明涉及膜分离水处理技术领域。

背景技术

膜分离技术作为最有发展前景的高新技术之一，在许多领域中起到越来越重要的作用，特别是在水处理领域。研发新型、高通量和高截留性能的分离膜对于促进膜分离技术在水处理领域中的进一步应用具有重要意义。

氧化石墨烯具有原子级的厚度、高的机械强度、良好的耐酸耐碱性能和可调的物理化学性质，在构建高性能分离膜方面潜力巨大。通过简单的真空抽滤、喷涂、自组装等方法便可以很容易地制备氧化石墨烯二维层状膜。氧化石墨烯膜具有可调节的纳米通道和丰富的含氧官能团，使膜可以有效地分离分子和离子。而且，水分子可以在氧化石墨烯纳米片的非氧化区内实现快速地传输，这使得氧化石墨烯膜的透水率要远高于相同筛分能力的商业分离膜。因此，近年来有关氧化石墨烯基膜的研究得到了广泛的关注，特别是在水处理和海水淡化领域。由于氧化石墨烯具有优异的亲水性，因此氧化石墨烯基膜在水中易发生溶胀，导致膜结构不稳定，从而使得截留性能下降。为了抑制氧化石墨烯膜的溶胀现象，通常采用部分还原(H.Liu,et.al.Advanced Materials,2015,27(2):249-254)、化学交联(M.Zhang,et.al.Angewandte Chemie International Edition,2020,59(4):1689-1695)及物理约束(J.Abraham,et.al.Nature Nanotechnology,2017,12(6):546-550)等方法来构建稳定的氧化石墨烯基膜。然而，由于膜层间距的减小，膜的透水性能会受到很大的限制。此外，还原和交联还会减少氧化石墨烯表面的含氧官能团，导致截留性能的降低，特别是对于离子的截留。

为了解决上述问题，本发明提供了一种氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的制备方法，以及一种电场辅助该非对称膜提高水通量和离子截留的方法。所述分离膜包括氧化石墨烯层和碳纳米管层，其中氧化石墨烯层紧密负载在碳纳米管层上形成非对称结构；通过以碳纳米管层为膜电极，在氧化石墨烯层两侧施加外电场，来同时增强水通量和离子截留性能。关于氧化石墨烯和碳纳米管复合膜的制备方法已提出了一些专利技术，如CN106166452A，CN105214522A，CN106920700A，CN110237726A，CN110292869A，但这些专利方法中所述分离膜是采用氧化石墨烯和碳纳米管混合制备而成的，不同于本发明中所述的非对称分离膜。本发明依靠所述分离膜的非对称结构，通过施加外电压，在电场作用下可实现水通量和离子截留性能的同时增强。

发明内容

本发明提供了一种氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的制备方法及应用方法。所述氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜是利用氧化石墨烯和碳纳米管通过两步真空抽滤法制备而成；所述电场辅助该非对称分离膜的应用方法是以碳纳米管层为膜电极，在氧化石墨烯层两侧施加外电场来实现，可以同时增强水通量和离子截留性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用强酸酸化处理的碳纳米管配制成均匀的碳纳米管分散液，随后通过真空抽滤装置将碳纳米管分散液抽滤到支撑膜基底上，在40～80℃下干燥2～6h，形成氧化石墨烯/碳纳米管非对称分离膜的碳纳米管层；