[发明专利]一种亲水性石墨材料的使用方法

说明书

本公开涉及一种亲水性石墨材料的使用方法，将水溶液引入有一由亲水性材料构成的膜的装置中，其中亲水性材料由有一表面的石墨材料和一与该表面相邻接的聚合物构成，而该聚合物导致在紧邻石墨表面处形成一有序的水层；将水溶液与膜接触；让水通过膜的生产过滤水。本发明中的石墨材料可以是一种与传统的膜材料相比具有优异的化学、力学和电性能的碳纳米管薄膜。该亲水性石墨材料包含了PEG/PEO聚合物涂层，这种涂层增加石墨材料的亲水性。还公开了制备亲水性石墨材料的方法以及这种材料潜在的应用和用途。

技术领域

本公开涉及亲水性材料，更具体地说，本公开涉及新型亲水性石墨材料，通过聚合物或分子对石墨材料的表面进行改性。聚合物或分子能有助于在邻接石墨材料表面处形成一有序的水层，从而显著提高石墨材料的亲水性。

背景技术

纯净水是一项重要的资源。人口增长和工农业活动的扩大，正使得淡水越来越稀缺。与此同时，废水的产生、地表水和地下水的污染呈上升趋势。因此，业界内需要有去除水中的污染物的有效水处理方法和技术。

膜过滤技术为去除水中污染物提供了有效的解决方法，但实现高渗透性、高选择性和抗污染能力仍是现有膜过滤技术面临的重大挑战。由微生物沉积和生长、化学腐蚀、天然有机材料和无机物结垢而导致的膜污染，对膜的性能产生负面影响，使得过滤通量下降、能源消耗增加、维护和运营成本上升。目前，水净化技术中最迫切需要的是开发污染物截留率高、生产率高、跨膜压力低和抗污染性能优异的过滤膜。

大多数商业过滤膜是由疏水性高分子材料制成的。常用于微滤(MF)膜和超滤(UF)膜的材料有醋酸纤维素、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯、聚砜和聚醚砜(PES)。醋酸纤维素和聚酰胺材料主要用于纳滤(NF)和反渗透膜(RO)。每个聚合物在表面电荷、憎水程度和亲水程度、对pH值和氧化剂的耐受程度、机械强度和柔韧性方面都表现出不同的性质。例如，醋酸纤维素膜易于被微生物降解，其操作pH值范围窄，在4～8之间，而聚酰胺反渗透膜可在较宽的pH范围内使用，不易被微生物降解。

膜材料是微滤、超滤、纳滤和反渗透工艺流程的核心。然而，聚合物材料的疏水性使得商品过滤膜容易受到污染。污染可能来源于无机化合物、颗粒物、微生物或有机物。因此，聚合物膜的过滤性能不可避免地随着时间的推移而下降。因此，很有必要开发新的过滤膜材料，以克服聚合物膜的缺点。

将碳纳米管(CNT)粉末加入到聚合物中制备复合膜，已被证实可提高膜的亲水性和过滤通量。然而，在CNT粉末聚合物复合膜中，CNT随着时间的推移而损失还是一个关键问题。此外，由于具有憎水性，碳纳米管本身容易聚集和结团，使得在制备复合材料时碳纳米管难以均匀地分散到聚合物中。因此，有必要在高温下用强酸对CNT进行化学处理，例如，用浓硝酸和浓硫酸长时间回流，将亲水性的-OH和-COOH基团引入到CNT上，使得CNT变得较为亲水。然而，使用腐蚀性的强酸将-OH和-COOH基团引入到CNT表面，不利于减少对环境的影响，批量生产也比较困难。再者，控制碳纳米管上-OH和-COOH基团的引入量也是具有挑战性的。从根本上说，共价引入-OH和-COOH基团只能发生在CNT结构被破坏的时候，因此，共价官能化的CNT表面有较多的结构上的缺陷，这些缺陷将改变CNT的电子和力学性能。这些改变了的性能和结构缺陷常常促进而不是防止CNT表面的污染。

目前人们已经开发了非共价键方法来解决共价修饰碳纳米管中所存在的问题。有一种方法是使用聚乙二醇单烷基醚。有人认为疏水性烷基优先与疏水性碳纳米管表面发生相互作用，使得亲水性的聚乙二醇链段靠近CNT的表面。由于亲水性的聚乙二醇链段的存在，使得所得到的CNT变得亲水。聚乙二醇聚合物链中的游离羟基可以进一步发生交联反应，从而形成更稳定的亲水层。然而，聚乙二醇烷基醚和交联体系的长期化学稳定性还是一个值得关注的问题。当交联的聚乙二醇在过滤膜中发生降解时，有机降解产物可以渗透到渗透液中。此外，聚乙二醇单烷基醚修饰的碳纳米管可能缺乏足够的亲水性以防止表面污染。