[发明专利]一种能同时分离油和染料的MXene分离膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料化工领域，公开了一种能同时分离油和染料的MXene分离膜及其制备方法和应用，包括以下步骤：(1)通过化学剥离法制得MXene水分散溶液；(2)通过光聚合法配制羧基硅氧烷溶液；(3)将MXene水分散液和聚乙烯醇粘接剂配成混合溶液，通过真空抽滤方法将其沉积到依次经过乙醇、水、碱液处理的PVDF膜上，随后将羧基硅氧烷溶液喷涂到膜表面，干燥后，得到有机改性MXene分离膜。本发明制备的分离膜制备工艺简单，成本低；能够高效同时分离水包油乳液和染料污水，膜表面的亲水功能基团赋予了膜较好的防油/染料污染性能；相比有机物分离膜，二维无机膜固有的机械性赋予了膜更加优异的耐久性。

技术领域

本发明涉及材料化工领域，特别涉及一种能同时分离油和染料的MXene分离膜及其制备方法与应用。

背景技术

水在维持人类生活和可持续社会发展方面发挥着重要作用。然而，随着人口的快速增长和工业的快速发展，水污染也变得越来越严重。在各种水源污染中，有机物(如各种油)和可溶性有机物(如染料)是主要污染物，这些污染物具有不可生物降解、剧毒、致癌甚至致突变等特性，它们的排放会对健康和生态造成严重威胁。因此，设计先进的分离材料对污水的净化处理有及其重要的战略意义。

近几十年来，膜分离技术由于具备较高的分离效率、低成本和能耗的优势，在油水分离领域发展迅速，然而目前大多数的油水分离膜都只针对一类污染物的去除，对于多种污染物，通常需要串联多个设备单元，以达到处理多种污染物的目的，程序复杂而又耗时费力；另外膜在长时间的过滤中，水中的油/染料通常会造成膜的不可逆污染，进而导致膜通量下降，另外传统的有机分离膜耐机械性差，进而导致膜耐久型差，因此，亟需一种能够同时分离油和染料且防污性能好的耐久型分离膜材料。

二维过渡金属碳化物(MXene)材料因其独特的原子厚度，微米的横向尺寸、机械性以及丰富的表面化学基团，最近被研究用于制备2D分离膜材料，在气体分离，海水淡化，污水净化等领域显示出优异的特性。但MXene制备的分离膜存在表面功能基团数量少，柔韧性差，应用功能单一等问题，而传统的有机聚合物功能基团数量种类可控，延展性好，因此急需开发出一种无机-有机复合型油水分离膜。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种能同时分离油和染料的MXene分离膜及其制备方法与应用。本发明基于二维材料MXene的化学组成，纳米片状结构，通过真空过滤的方法制备出具有微纳结构表面，进一步通过硅烷偶联剂化学键桥接Mxene和含羧基的乙烯基单体，此方法得到的亲水和水下超疏油分离膜表面基团更加牢固。由于膜表面具备大量的羧基，羟基等亲水功能基团，该膜对各类水包油乳液和染料具备较好的分离和吸附效果，且拥有良好的防污性和耐久性，可用于处理复杂污水。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种能同时分离油和染料的MXene分离膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过化学剥离法制得MXene水分散溶液；

(2)通过光聚合法配制羧基硅氧烷溶液；

(3)将(1)制备好的MXene水分散液和聚乙烯醇粘接剂配成混合溶液，通过真空抽滤方法将其沉积到依次经过乙醇、水、碱液处理的PVDF膜上，随后将(2)得到的羧基硅氧烷溶液喷涂到膜表面，70-120℃干燥1-3h后，得到一种同时分离油和染料的MXene分离膜。

优选地，步骤(2)所述硅氧烷为γ-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)，所述羧基硅氧烷为式(I)化合物、式(II)化合物中的至少一种，

优选地，步骤(2)所述羧基硅氧烷溶液的制备：将硅氧烷、含羧基的乙烯基单体以及光引发剂、醇类有机溶剂(极性：3.7-4.3)混合均匀，在紫外光照条件下搅拌反应获得羧基硅氧烷溶液；所述光引发剂为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)。