[发明专利]一种葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯复合膜的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯复合膜制备方法，由氧化石墨烯纳米片、葫芦脲与金属离子通过水分子桥联的形式形成的超分子络合物构成，超分子络合物作为交联剂提高氧化石墨烯复合膜在水环境中稳定性的同时还作为水分子的快速传质通道提高了膜的渗透性。将葫芦脲与金属离子溶解于pH＝2的盐酸溶液中制备超分子络合溶液，金属离子采用不同的阴离子配位；采用压力辅助自组装沉积在亲水性的聚四氟乙烯膜上，随后在鼓风箱中热处理后即为所得。本发明制备过程简便、可控性强、方法通用，制备的复合膜用于渗透蒸发丁醇‑水溶液体系，对水分子具有高渗透通量、高选择性，同时在高温下具有良好的操作稳定性。

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯膜的制备方法和应用，尤其涉及一种葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯复合膜的制备方法及应用

背景技术

能源短缺与环境污染已经成为制约社会经济可持续发展的主要矛盾，开发利用清洁、环保、经济的可再生能源成为缓解能源压力和环境压力的重要举措。丁醇不仅是重要的有机化工原料，还是一种新型的生物燃料，它可通过微生物发酵法和化工合成法生产，随着石油资源的枯竭，发酵法生产丁醇日益受到各国的关注，然而采用经济节能的方法将发酵液中的丁醇高效分离是发展生物丁醇的关键。相比于传统的醇-水分离工艺，渗透蒸发法单级分离效率高，无污染，操作简单且能耗低，易于与其它技术耦合，具有良好的应用前景。

氧化石墨烯是目前已知最薄和最坚硬的层状二维材料，具有成膜性好、含氧官能团丰富的特点，水分子在氧化石墨烯纳米片层间特殊的传质机理为其在渗透蒸发优先透水膜的研究中带来了巨大的机遇。氧化石墨烯膜是氧化石墨烯纳米片通过氢键和π–π相互作用堆积而成，其层间通道在液体环境中极易受到影响，通过引入合适的交联剂，使交联剂上的基团与氧化石墨烯纳米片上的含氧官能团形成共价或非共价相互作用来固定或缩小湿态下膜的层间距对渗透蒸发丁醇脱水尤为重要。由于小分子交联剂尺寸小、活性基团少、交联效率较低，所以在使用小分子作为交联剂时添加量一般都比较多，大大降低了膜的渗透通量。

发明内容

针对上述现有技术，本发明利用葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯膜并应用于丁醇脱水领域。采用端口直径小于正丁醇动力学直径的葫芦脲与金属离子络合形成超分子络合物，超分子络合物作为交联剂保证氧化石墨烯膜的稳定性。空腔疏水且对醇溶液有筛分效果的超分子络合物在膜的层间可作为水分子的额外传质通道，提升了膜的渗透选择性。葫芦脲与金属离子所形成的一维超分子络合物特殊的结构与物理化学性质，协同构筑了氧化石墨烯膜的层间微环境，实现了氧化石墨烯膜渗透蒸发丁醇脱水分离性能的提升。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯复合膜，该复合膜是由氧化石墨烯纳米片、葫芦脲与金属离子通过水分子桥联的形式形成的超分子络合物构成；其中，葫芦脲/金属离子超分子络合物作为交联剂提高氧化石墨烯复合膜在水环境中稳定性的同时还作为水分子的快速传质通道提高了膜的渗透性。

上述葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯复合膜的制备方法是：首先将葫芦脲与金属离子溶解于pH＝2的盐酸溶液中制备超分子络合溶液，所述超分子络合溶液是葫芦脲/金属离子络合的溶液；然后，将氧化石墨烯纳米片均匀分散于超分子络合溶液中，并采用压力辅助自组装沉积在亲水性的聚四氟乙烯膜上，随后在鼓风箱中热处理所得即为葫芦脲/金属离子交联氧化石墨烯复合膜。具体步骤如下：

步骤一、将一定量的葫芦脲和金属离子按照摩尔比1:3溶解于pH＝2的盐酸溶液中，得到葫芦脲/金属离子络合的溶液；其中，所述的葫芦脲选用葫芦脲[6]；所述的金属离子为碱金属或过渡金属，金属离子采用不同的阴离子配位，选自于氯离子、硝酸根离子和含有甲醇的氯离子，甲醇和氯离子的摩尔比为2：1。

步骤二、将适量的步骤一制得的葫芦脲/金属离子络合溶液溶解于去离子水进行稀释，然后向其中加入氧化石墨烯纳米片，搅拌0.5h后置于超声机分散均匀得到混合液，混合液中葫芦脲与氧化石墨烯纳米片的质量比为(0.05～0.3)：1；