[发明专利]碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及化工分离技术领域，具体涉及碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和应用,其中碳量子点插层的氧化石墨烯作为分离层，亲水性聚合物超滤膜作为支撑层，采用操作简便的压力辅助自组装的方法制备成膜。纳米尺度的碳量子点可扩大层间纳米通道尺寸，提高膜的渗透性。碳量子点表面的亲水官能团加快了水分子的选择性传输，且与氧化石墨烯片层的交联作用强化了膜结构的稳定性。本发明制备工艺简单，所制备的复合膜应用于渗透汽化丁醇‑水溶液体系中，对水分子具有较高的渗透通量和选择性，同时具有良好的长期操作稳定性。

技术领域

本发明涉及化工分离技术领域，具体涉及一种碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

能源危机和环境污染的日益严峻使得开发可再生清洁能源用以实现资源和环境的可持续发展受到广泛关注。生物醇基燃料是以生物质为原料，通过生物发酵等技术生产的一种高效环保的清洁能源。其中，生物丁醇具有燃烧热值高、难挥发、易储存等特点，成为化石燃料的有利替代品。然而丁醇在发酵液中含量较低且与水形成共沸物，使得丁醇的分离纯化成为关键。渗透汽化膜分离技术具有能耗低、无污染、分离效率高、操作简便且易于与其它技术相耦合等优点，常用于液体混合物的分离，特别是在共沸和近沸体系的分离中展现出良好的应用前景。

氧化石墨烯作为一种超薄的二维材料，具有易功能化修饰特性，可构筑高度有序的二维限域传质通道，水分子在该通道中展现出独特的传质现象，使得氧化石墨烯在膜材料的开发及渗透汽化优先透水的研究中展现出巨大的潜力。然而，氧化石墨烯膜在液体环境中的稳定性较差，难以实现高效分离。为此，选用合适的交联剂，通过共价或非共价作用来固定层间通道尺寸对于其在液体分离领域具有至关重要的作用。然而，共价交联会消耗氧化石墨烯片层上的本征含氧官能团，降低传质通道的亲水性，且交联后缩小的层间通道尺寸会降低膜的渗透性。此外，分子交联剂的柔性特征导致氧化石墨烯层间通道的稳定性较差。因此，需要开发一种行之有效的方法，使氧化石墨烯膜具有较高的分离性能和稳定性能。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和应用，采用碳量子点用以调控氧化石墨烯层间通道的物理结构和化学性质，通过压力辅助自组装方式制备出碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜。该方法制备的复合膜在渗透汽化丁醇-水溶液体系脱水中展现出较高的分离性能和稳定性能，且制备方法简便易行。

为了实现本发明目的，所采用的技术方案如下：

一种碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜的制备方法，包括如下步骤：碳量子点与氧化石墨烯的均匀混合分散液通过压力辅助自组装方式沉积到支撑层上，形成分离层，再经洗涤、热处理和干燥处理后获得碳量子点交联的氧化石墨烯复合膜，碳量子点与氧化石墨烯的均匀混合分散液中碳量子点为氧化石墨烯质量的2-50％。

进一步的：

步骤一、将碳量子点分散在去离子水中，用碱性溶液调节pH，经过搅拌和超声形成分散液，浓度为0.1-5.0mg/mL；

步骤二、将氧化石墨烯纳米片分散到去离子水中，通过搅拌和超声形成分散液，浓度为5.0-10.0mg/mL；

步骤三、量取一定体积步骤一的碳量子点分散液和一定体积步骤二的氧化石墨烯分散液共混稀释，得到碳量子点与氧化石墨烯的混合分散液；

步骤四、采用0.2-0.5MPa的压力将步骤三的混合分散液压滤至支撑层上，待滤液全部滤过后再保持10-20min，以保证层间通道中的残余水分完全滤掉，得到复合膜；

步骤五、将复合膜浸入到0.01-0.05M酸性溶液中，用去离子水洗涤直至不再含有钠离子，再将复合膜在50-90℃下热处理1-3h，一方面进一步除去残存水分，另一方面是促进碳量子点与氧化石墨烯间的相互作用，最后真空干燥12-48h后保存在干燥器中备用。