[发明专利]一种褶皱氧化石墨烯/纳米纤维复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种褶皱氧化石墨烯/纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。所述褶皱氧化石墨烯/纳米纤维复合膜的制备方法为将高分子纺丝溶液和氧化石墨烯分散液结合到支撑层表面得到复合膜，再将所述复合膜进行热处理或化学处理，制得所述褶皱氧化石墨烯/纳米纤维复合膜；所述高分子纺丝溶液使用静电纺丝方法与所述支撑层结合，所述氧化石墨烯分散液使用静电喷雾方法与所述支撑层结合。静电喷雾方法将氧化石墨烯收缩成三维的“氧化石墨烯团”，作为间隔材料分散于纳米纤维网络间，减小纳米纤维的密堆积概率，改善静电纺纳米纤维膜的孔隙率，增加所得复合膜的吸附能力。

技术领域

本发明涉及吸附分离材料的制备领域，具体涉及纳米纤维复合膜的制备方法，尤其涉及一种褶皱氧化石墨烯/纳米纤维复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的快速发展，工业废水大量排放，重金属和有机污染物污染事故频发，清洁水资源日趋短缺，严重制约了社会的可持续发展。大多数污染物难以生物降解，可在生物体内积累，并在食物链中经生物富集、浓缩而传递，对生态环境和人类健康构成严重的威胁。科学家们已经开发出许多治理水中污染物的方法，包括离子交换、化学沉淀、膜分离法和吸附法等。其中，吸附法具有操作简单、能耗低和成本低等优点，是一种高效且应用广泛的去除方法。

吸附法中吸附剂起决定作用，常用的吸附剂有活性炭、硅藻土、活性氧化铝、纳米材料、多孔材料以及纤维素、壳聚糖和其他改性高分子材料，然而，在实际应用过程中，无机粉体和纳米颗粒容易流失，造成潜在的二次污染，一般高分子材料需经过功能化改性才具有较好的吸附效果，而化学改性的过程复杂、成本较高。其中，纳米纤维材料作为一种有极大的比表面积的吸附材料，有着较强的吸附力和过滤性，氧化石墨烯具有非常高的比表面积、丰富的羟基/羧基/环氧基活性吸附位点，也是良好的纳米吸附剂。

静电纺丝(Electrospinning)是一种能够制备连续纳米纤维的简单而便捷的方法，纤维直径一般在几十到上千纳米，所形成的无纺布具有纳米微孔且孔隙互通的结构，具有比表面积大、孔隙率高、轻质高强等优点，是非常好的吸附分离材料。此外静电纺纳米纤维膜可以应用于动态过滤吸附中，与颗粒填充的固定床相比，无纺布的通孔结构使其流体阻力小、传质快，容易实现工程化应用，同时可避免颗粒的流失。

静电喷雾(Electrospraying)是基于高压静电场下导电流体产生高速喷射的原理发展而来的技术，通过高压静电作用使从针头喷出的聚合物液滴带电，然后通过液滴中溶剂挥发制备聚合物微纳米微球的一种简易方法。通过静电喷雾技术制备的微球单分散性好、纯度高而且直径可以达到微/纳米尺度，并且利用静电喷雾技术可以一步成型，不需要额外添加模板和后处理工艺。

CN102268745A提供了一种制备多孔高比表面积的纳米纤维的方法，通过配置一定比例的聚丙烯腈和聚氧化乙烯混合溶液，并将其进行高压静电纺丝制备复合纳米纤维。这种多孔高比表面积的纳米纤维在医用器具、人工器官、超纯水制造、污水处理和回用等领域存在较高的应用价值。

CN103212382A公开了一种吸附重金属离子的自组装静电纺丝素纳米纤维膜及其制备方法，首先采用静电纺的方法制备平均直径88-135nm，孔隙率30-80％的静电纺丝素纳米纤维膜，浸于100％乙醇中1-2h，再将乙醇处理后的静电纺丝素纳米纤维膜浸于碱溶液中30-90min，最后采用聚乙烯亚胺溶液处理制备2-6层聚乙烯亚胺组装静电纺丝素纳米纤维膜。该发明制备的自组装静电纺丝素纳米纤维膜，比表面积大，可以增大与金属离子的接触面积，增大吸附量，缩短达到吸附平衡的时间，有效地吸附废水中的重金属离子。

然而，静电纺丝得到的纳米纤维实际上是多层纤维交叠和堆积形成的纤维毡或无纺布，这种密堆积结构不可避免地牺牲了许多有效比表面积，妨碍目标污染物向吸附材料内部的扩散，使吸附性能相对下降。

因此，如何改善纳米纤维的密堆积状态，增加静电纺纳米纤维膜的孔隙率和比表面积成为制备纳米纤维膜过程中急需解决的问题。

发明内容