[发明专利]一种超亲水氧化石墨烯复合膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种超亲水氧化石墨烯复合膜，该超亲水氧化石墨烯膜是由氧化石墨烯纳米片和作为交联剂的植酸‑铁离子络合物组成；首先，植酸分子作为交联剂插入到所述氧化石墨烯纳米片层间，得到植酸交联的氧化石墨烯复合膜；其次，在植酸交联氧化石墨烯的基础上，在一定浓度的氯化铁溶液中浸泡，基于植酸和铁离子的螯合作用，得到具有超亲水表面的植酸‑铁离子氧化石墨烯复合膜。本发明具有方法通用、可控性强、制备过程简单等优点。将本发明制备的复合膜用于渗透蒸发丁醇‑水溶液体系，对水分子具有高渗透通量、高选择性，同时该复合膜在高温下具有良好的操作稳定性。

技术领域

本发明涉及膜及制备和应用，属于膜分离技术领域，具体而言本发明涉及一种氧化石墨烯复合膜及制备和应用。

背景技术

能源危机与环境保护的矛盾在21世纪更加突出。化石燃料储量逐年减少、价格持续增长，与此同时环境恶化和温室效应不断加剧，急需开发环保型替代能源以实现资源和环境的可持续发展。生物液体燃料作为清洁可再生的生物质能成为替代传统化石能源的一个重要选择。其中，生物丁醇是一种辛烷值高、热值与汽油媲美的可替代燃料，丁醇的研究对于应对各国的能源危机和环境保护具有十分重要的意义，但由于丁醇在发酵液中的浓度较低且能与水形成两相的共沸物，丁醇的分离回收一直是生物丁醇生产过程中的重要难题。膜分离技术中的渗透蒸发法选择性好，分离系数高，操作简单，因而能够有效用于液体混合物的分离，尤其是有机物/水恒沸体系的分离。通过渗透蒸发实现醇水分离，具有易操作，低能耗，无污染，易放大的优势。开发高渗透通量、高选择性的膜材料和膜结构是醇水分离的重要需求。

氧化石墨烯是一种无机二维材料，具有极强的各向异性和丰富的含氧官能团，热稳定性和化学稳定性优异。采用氧化石墨烯纳米片制备分离膜，成膜性好且便于调控膜的结构与物理化学性质，目前氧化石墨烯膜已应用于气体分离、水处理以及渗透蒸发等领域实现高效分离。氧化石墨烯膜用于分离过程的传质通道正是由氧化石墨烯纳米片堆积形成的纳米通道，即二维层间通道，膜的结构调控也大多针对于此。然而，液体环境中的氧化石墨烯膜由于溶剂分子的进入使得层间距扩大，无法适用于液体小分子的分离。因此，氧化石墨烯膜层间距的固定和调控对于渗透蒸发醇水分离过程至关重要。

溶解-扩散机制是渗透蒸发过程的重要分离机制，高性能渗透蒸发膜的设计得益于溶解过程和扩散过程的强化。通过对膜表面物理和化学结构的设计可强化溶解过程。对于优先透水膜，提高膜表面的亲水性，对加强水分子在膜表面的溶解过程具有重要意义。膜表面亲水性的提高主要通过引入亲水基团和提升粗糙度两种方式。通过选用合适的交联剂，从而在氧化石墨烯膜表面同时引入亲水基团并且提升粗糙度，可强化水分子在氧化石墨烯膜表面的溶解过程。同时调控膜内的物理化学微环境，在氧化石墨烯膜层间构建亲疏水区域相间的结构，可强化水分子在膜中的扩散过程。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种具有超亲水表面的氧化石墨烯复合膜及制备方法和应用，该制备方法通用且可控，所制备的复合膜可以用于渗透蒸发丁醇-水体系脱水，具有较高的分离性能和操作稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种具有超亲水表面的氧化石墨烯复合膜。基于植酸的螯合作用形成植酸-铁离子络合物，将该络合物作为交联剂交联氧化石墨烯纳米片，制备超亲水氧化石墨烯复合膜。植酸-铁离子络合物上的磷酸基团和金属离子可与氧化石墨烯纳米片上的含氧官能团通过氢键和离子键进行交联，提升膜的稳定性，调控膜的层间距；磷酸基团与铁离子螯合形成的亲水络合物，提升膜的亲水性，强化水分子在膜表面的溶解过程；层间水分子受到亲水性植酸-铁离子络合物的“牵引”，在氧化石墨烯纳米片非氧化区域快速滑移，强化水分子在膜层间的扩散过程。

该氧化石墨烯复合膜按照以下步骤进行制备：