[发明专利]用于油水分离的石墨相C3

说明书

本发明公开一种用于油水分离的石墨相C₃N₄纳米片二维膜及其制备方法。所述方法包括：(1)石墨相C₃N₄粉末的制备；(2)石墨相C₃N₄‑硫酸复合材料悬浊液的制备；(3)石墨相C₃N₄和石墨相C₃N₄‑硫酸复合材料薄膜的制备。本发明的石墨相C₃N₄纳米片的分散性更好，其胶体水溶液至少可以保持6个月的稳定而不发生团聚，通过真空抽滤法制得膜的均一性可以得到控制，该二维膜在水相体系中具有更好的热稳定和化学稳定性，以嵌入硫酸根阴离子调控的层间距稳定不易坍塌，保证了分子通道的畅通与较大的分离通量。

技术领域

本发明公开用于油水分离的石墨相C₃N₄纳米片二维膜及制备方法，属于膜分离技术领域。

背景技术

随着全球工业活动的快速发展，人类产生的污水量日益增加，这些工业或生活废水中通常含有大量的油、有机染料、表面活性剂、蛋白质等污染物，需要经过分离净化处理之后才能安全地排放到环境中。其中油水分离，尤其是油水混合乳液的分离一直是废水处理中的热点问题。目前的油水分离技术主要有重力沉降法，吸附法，空气浮选法，凝结法，离心法，电化学和光催化处理法等，但这些技术各自都有其局限性，比如耗能高，耗时长，占地面积大，分离效率低，二次污染等问题。因此寻求一种简易高效的油水分离方法一直是研究的热点问题。

近年来，膜分离处理技术以其简单高效、环境友好、耗能低、易于连续操作等优点受到人们的越来越多的关注。当前分离膜种类繁多，主要分为高分子聚合物膜和无机物膜。高分子聚合物膜具有结构易调控、加工操作简单、价格低廉以及柔韧性好等优点，而且制膜技术丰富，所以高分子聚合物膜成为目前最常用的商业膜，但这种有机膜存在着固有的缺陷，例如易结垢、机械强度差以及热和化学稳定性差，所以无法广泛应用于工业生产中。在聚合物膜的稳步发展的同时，具有优异的化学和物理性能，高可调性和可重复使性的无机膜也越来越引起人们的关注，但无机膜在使用过程中存在脆性高、制备复杂、成本高等局限性，并且无机膜使用后需通过化学试剂的清洗才能继续使用，容易造成二次污染，所以在特定行业或实验室中使用较多。石墨烯以其优异的物理和化学性质，被广泛应用于离子分离、气体分离以及海水蒸馏和淡化等分离领域。氧化石墨烯(GO)作为重要的石墨烯衍生物之一，也是具有单层原子厚度的二维纳米材料，与石墨烯相反，GO膜表面是亲水的，主要是由于羧基、羟基以及环氧基等极性含氧官能团的存在。但石墨烯这类薄膜材料存在以下问题：(1)石墨烯基材料分散性不好，难以大量生产且易团聚；(2)石墨烯基膜的均一性的控制；(3)水相体系中，石墨烯基膜的结构和组成稳定性。

作为类石墨烯的二维材料，石墨相C₃N₄(GCN)同样具有丰富可调的二维孔道网络结构，这意味着水分子可以自由通过。另外，共轭骨架中未聚合的-NH和-NH₂基团可能会使GCN纳滤膜更加稳定，因为酰氯和胺可以很容易发生反应。另一方面，GO膜在水中非常不稳定，不同湿度的大气环境都会引起层间距的变化，使结构调控和性能稳定变得更加棘手。相比之下，GCN膜具有非常出色的热稳定性和化学稳定性，可在一定程度上对环境变化保持惰性，这也为GCN分离膜的实际应用打下基础。

发明内容

有鉴于此，本发明提供用于油水分离的石墨相C₃N₄纳米片二维膜及制备方法。通过一种简单的合成技术，以硫酸根离子嵌入质子化的石墨相C₃N₄(GCN)纳米片层来调控层间通道，在基底膜上负载该GCN二维纳米片，制备一种可以高效油水分离的膜材料，得到高纯度的分离水，解决现实生活中面临的水污染问题。