[发明专利]一种两性离子渗透汽化分离膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种两性离子渗透汽化分离膜及其制备方法，以氧化石墨烯纳米片为载体，将两性离子附着在氧化石墨烯纳米片层上，利用不同种类的二胺分子对其进一步化学修饰，通过简单、方便的压力辅助组装的方法在支撑体表面均匀地沉积一层两性离子为主的分离层，经热处理交联真空干燥后得到渗透汽化分离膜。该渗透汽化分离膜将两性离子功能化附着在氧化石墨烯纳米片上，使其形成一种新型的两性离子膜材料，其存在丰富的离子基团使得膜内传质通道亲水性较高，同时利用其与不同二胺分子的共价交联反应优化膜内传质通道的自由体积。最终实现水分子的优先溶解优先扩散的渗透汽化分离膜的制备。本发明方法工艺简单经济，适用于规模化制备，有良好的适用性。

技术领域

本发明涉及一种两性离子渗透汽化分离膜及其制备方法，所制备得到的膜可用于醇水体系中水的选择性快速渗透。

背景技术

与精馏、蒸发、干燥等传统分离技术相比，膜分离技术可节约能耗50％以上，在化工、食品、能源、医药等诸多领域得到广泛应用。膜分离的核心是膜材料，但是传统的聚合物膜不耐高温和腐蚀性物质，且在分离性能上存在trade off效应，即通量和分离选择性之间有制约关系。多孔陶瓷膜虽然弥补了聚合物膜的缺点具有良好的耐高温、耐化学腐蚀特性，且不存在trade off的限制但是却非常昂贵、脆性大、容易破碎，且制备过程耗时而复杂。这些传统膜材料的限制促使膜领域的研究人员不断寻求新的膜材料。两性离子材料是指同时具有阴离子和阳离子的化合物，其丰富的离子基团能够提供大量与水分子进行静电作用的位点，形成水化层高度亲水，同时增加其憎醇性。然而其难以单独成膜，限制了其在膜分离领域的应用。目前，姜等人已成功将两性离子用于功能化无机材料与聚合物制备混合基质膜用于渗透汽化分离，通过两性离子优化无机材料的亲水性以及和聚合物分子之间的相容性(专利申请号201510161192.9)。但该方法难以最大化发挥两性离子渗透汽化膜的优点，两性离子分布密度较低，且聚合物基质阻力较大，膜渗透通量较低。氧化石墨烯是一种典型的二维膜材料，其可通过简易堆叠成膜，同时其表面具有大量不饱和C＝C和丰富的含氧官能团，是理想的载体材料。前期工作中，曾尝试选择对氧化石墨烯进行氨基修饰，利用环内酯进行开环形成两性离子功能化氧化石墨烯(专利申请号201910798765.7)，然而其接枝量低且分布密度较低，需借助聚电解质构筑高性能渗透汽化膜。因此，通过原子自由基聚合反应将两性离子成功负载在氧化石墨烯载体上，使其共同作为膜构筑单元，制备致密无缺陷的两性离子渗透汽化膜，同时通过化学交联优化膜内水分子快速传输传输通道，为两性离子渗透汽化膜的开发提供基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种两性离子渗透汽化分离膜，本发明的另一目的是提供上述两性离子渗透汽化分离膜的制备方法。以此方法以氧化石墨烯纳米片为载体，制备的两性离子膜在醇水体系分离中展现出良好的渗透通量、分离选择性和稳定性。该制备方法简单易行，绿色环保，具有广泛的适用性。

本发明的技术方案为：一种两性离子渗透汽化分离膜，其特征在于：由分离层和支撑层构成，所述分离层由负载在氧化石墨烯上的两性离子和二胺构成，附着在氧化石墨烯纳米片上的两性离子与二胺的质量比为1：(0.5-4)，其中分离层厚度约为20-100nm；所述支撑层为聚合物。

优选所述的聚合物是聚丙烯腈、聚碳酸酯或聚偏氟乙烯中的一种；两性离子单体是甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱或甲基丙烯酸横基甜菜碱中的一种；所述的二胺是乙二胺、丙二胺或己二胺中的一种。

本发明还提供了一种制备上述的两性离子渗透汽化分离膜的方法，其具体步骤如下：

(1)氧化石墨烯烯分散液的制备：将氧化石墨烯纳米片经超声均匀分散在去离子水中，浓度为2-3mg/ml；