[发明专利]一种氧化石墨烯复合膜的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯复合膜的制备及应用，属于气体膜分离技术领域。

背景技术

近年来，随着工业的发展，化石燃料燃烧，产生了大量CO₂气体。目前急需高效低成本的碳捕集技术。膜技术由于绿色、能耗低、设备投资低等优势得到了广泛关注，是目前有望大规模采用的技术之一。目前由于膜材料分离性能不高，限制了其进一步发展。设计制备具高渗透性和高选择性的膜材料是目前研究的热点。为实现膜的高渗透性和高选择性，膜材料应具备超薄的分离层结构，且膜孔道尺寸规则，易于实现尺寸筛分。

石墨烯材料是一种具备超薄片层结构，机械和热稳定性良好的碳材料。其来源广泛，有望将其制备成膜材料，以大规模应用。目前石墨烯膜的制备大多通过旋涂或者真空超滤法将氧化石墨烯片层覆盖于微滤膜的表面。所制备的膜由于层间距不可控，致使膜的尺寸筛分能力弱、选择性不高。小分子在膜内多以物理机制实现分离，化学机制(促进传递机制)的研究较少。目前亟需简便可控的膜制备手段，将化学分离机制引入膜制备中，实现石墨烯膜渗透性和选择性的同时提升。

发明内容

本发明的目的在于一种氧化石墨烯复合膜的制备方法和应用。以此方法制备的氧化石墨烯复合膜用于分离CO₂/CH₄、CO₂/N₂混合物，具有较高的CO₂渗透速率和分离因子。

本发明提出的一种氧化石墨烯复合膜，主要组分为氧化石墨烯，以及二价金属离子或含氧酸根离子，该复合膜通过真空抽滤法制备于微滤膜基底上；其中，氧化石墨烯片层的大小为500nm-5μm。

其中，所述二价金属离子为Mg²⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺和Fe²⁺中的一种，所述含氧酸根离子为B₄O₇^2-或是TeO₃^2-；所述微滤膜材质为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯和醋酸纤维素中的一种，优选为聚醚砜。

本发明一种氧化石墨烯复合膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过Hummer法制备氧化石墨烯水分散液，超声分散2h；(2)将一定质量的二价金属离子氯化盐或含氧酸钠盐加入到氧化石墨烯质量体积比为1mg/L-50mg/L的氧化石墨烯水分散液中制得溶液A，其中，所加二价金属离子氯化盐或含氧酸钠盐与氧化石墨烯的质量比为10/1；加热该溶液A到40℃，机械搅拌至其中的二价金属离子氯化盐或含氧酸钠盐完全溶解，冷却至室温；(3)将微滤膜固定于真空抽滤杯中，将步骤(2)制得的溶液A倒入真空抽滤杯中，开启真空泵，待水完全抽滤后继续抽滤20min；将步骤(3)制备的膜放于烘箱中交联干燥2h，即得氧化石墨烯复合膜。

将本发明氧化石墨烯复合膜用于气体分离，特别适用于CO₂/CH₄，CO₂/N₂的分离。

本发明的优点在于：制备方法简单，所制得的膜厚度在10nm以下，石墨烯片层间距可调，所制得的复合膜用于气体分离，具有优异的综合性能。特别地，使用四硼酸钠制备的氧化石墨烯复合膜具有高的CO₂渗透通量和CO₂/CH₄、CO₂/N₂选择性，加湿条件下混合气测试CO₂渗透通量可达650GPU，CO₂/CH₄选择性为75，CO₂/N₂选择性为58。

具体实施方式