[发明专利]一种基于纳米凝胶调控氧化石墨烯层间距的GO型纳滤膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纳米凝胶调控氧化石墨烯层间距的GO型纳滤膜的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：(1)制备具有温度和pH响应性能的P(NIPAM‑MAA)纳米凝胶；(2)将所制备的P(NIPAM‑MAA)纳米凝胶和氧化石墨烯按比例分散在超纯水中，其中P(NIPAM‑MAA)纳米凝胶和氧化石墨烯的质量比不大于10，得到纳米凝胶与GO均一分散的溶液；随后，通过过滤使P(NIPAM‑MAA)纳米凝胶和GO在聚醚砜超滤底膜上自组装，其中P(NIPAM‑MAA)纳米凝胶均匀地分散在GO的片层之间，以制备得到GO型纳滤膜。本发明所述制备方法使用具有温度和pH响应的纳米凝胶来调控氧化石墨烯的层间距，制备出孔径可调的GO膜，所述GO型纳滤膜具有优异的温度和pH响应性能、高水通量，并对分子量300‑1000的小分子选择性分离表现出优异分离性能。

技术领域

本发明属于分离膜技术领域，具体涉及一种具有刺激响应性能的GO型纳滤膜的制备方法。

背景技术

膜分离技术由于具有效率高、能耗高、操作设备简单等突出优点，已经广泛应用于海水淡化，化工/生物分离，能源回收和废水/废气处理等方面。分离膜通常是具有特定尺寸的孔径(纳滤膜和超滤膜)或功能性的交换基团(离子交换膜)。这些膜能够允许某种组分优先通过，从而实现不同组分的分离。目前，应用于水处理领域的膜技术主要有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)以及正渗透(FO)，这些膜技术的分离机制主要是尺寸筛分和溶解-扩散。制备膜的有机材料，主要有聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚酰胺和聚丙烯腈等，无机材料主要有金属、金属氧化物和陶瓷等。

氧化石墨烯由于其独特物理和化学性质已被广泛地应用到材料、催化、生物医学和环境保护等各个领域。近年来，氧化石墨烯由于其独特的二维结构逐渐吸引分离膜领域研究人员的兴趣。通过单层氧化石墨烯的堆积，可以制备出超薄的、均一孔径和高分离性能的氧化石墨烯膜。然而，氧化石墨烯堆积所制备的膜的层间距通常非常小而且难以调控。这些片层之间的层间距一旦被压小就很难得到恢复。层间距不可改变的氧化石墨烯膜严重限制了它的有效利用。

近期，研究人员试图通过对GO改性，以制备层间距可调GO分离膜。Liu等[Naturecommunications 2017,8,2011]通过自由基聚合法在GO上接枝具有温度响应的N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)，然后通过压滤的方法获得具有温度响应的GO膜，这些GO膜可根据外界温度的变化而自我调节GO的层间距，从而调节膜的有效孔径。所获得的膜在对小分子染料和无机盐离子的选择性分离具有优异的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种GO型纳滤膜的制备方法，所述制备方法使用具有温度和pH响应的纳米凝胶来调控氧化石墨烯的层间距，制备出孔径可调的GO膜，所述GO型纳滤膜具有优异的温度和pH响应性能、高水通量，并对分子量300-1000的小分子选择性分离表现出优异分离性能。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种GO型纳滤膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)制备具有温度和pH响应性能的P(NIPAM-MAA)纳米凝胶；

(2)将所制备的P(NIPAM-MAA)纳米凝胶和氧化石墨烯(GO)按比例分散在超纯水中，其中P(NIPAM-MAA)纳米凝胶和氧化石墨烯的质量比不大于10，得到纳米凝胶与GO均一分散的溶液；随后，通过过滤使P(NIPAM-MAA)纳米凝胶和GO在聚醚砜(PES)超滤底膜上自组装，其中P(NIPAM-MAA)纳米凝胶均匀地分散在GO的片层之间，以制备得到GO型纳滤膜。

本发明可以通过自由基聚合法在水相中制备P(NIPAM-MAA)纳米凝胶，然后经过反复离心和分散以去除残留的未反应组分和杂质，经冷冻干燥后得到具有温度和pH响应性能的P(NIPAM-MAA)纳米凝胶。本发明具体推荐所述P(NIPAM-MAA)纳米凝胶按以下方法制备：