[发明专利]一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法

说明书

本发明属于纳米膜材料技术领域，具体涉及一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法。本发明还提供了所述二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜在水处理中的应用。本发明的二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜，通过在纳滤膜中构筑层间距在1nm以下且埃级别可控的疏水孔道，不仅可以有效阻隔各种水合离子（包括K⁺、Na⁺、Li⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等），还能通过二维纳米限域内极大的毛细作用力，获得超高的水通量，从而有效提升离子阻隔率和水通量，大大提高水处理效率，降低水处理膜在海水淡化、城市污水处理等场合应用时的能耗。

技术领域

本发明属于纳米膜材料技术领域，具体涉及一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜及其制备方法。

背景技术

相较于传统蒸馏法，利用水处理膜技术进行水净化处理，具有杂质分离效率高、处理过程能耗较低、成本可控等优势，在海水淡化、家庭用水净化、工业废水处理等领域中有着广泛的应用。随着水处理膜技术的发展，不同的应用领域对水处理效率以及降低水处理过程能量损耗提出了更高要求，因此，急需开发出新型的、可同时具备大水通量和高离子阻隔性的水处理膜技术。

目前，水处理膜按膜内孔径大小主要分为微滤膜(0.1～10μm)、超滤膜(10～100nm)、纳滤膜(1～10nm)和反渗透膜(0.1～1nm)四种类型。随着膜内孔径的减小，水被净化的程度越来越高。具体表现为，利用微滤膜可以除去绝大部分悬浮颗粒以及微生物等；利用超滤膜可以去除绝大部分高分子以及病毒；利用纳滤膜可以除去绝大部分有机小分子和二价离子；而利用反渗透膜则基本可以除去所有离子，包括一价碱金属离子。

同时，净化得到高纯度的水，一般都要进行一次或者多次的反向渗透过程。反渗透膜一般由高分子材料制备而成，比如现在商用的反渗透膜一般采用薄膜复合型材料(TFC)，例如聚酰胺膜材料。由于反渗透膜利用极小的孔径尺寸来阻挡一价离子等杂质，同时，此极小的孔径同时也会对水分子的渗透产生阻碍作用，因此需要对膜的两侧施加较大的压力(一般为10～60bar)，让水分子克服浓度差所产生的渗透压和小孔径所产生的阻力而穿过反渗透膜，同时留下离子等杂质，达到净化水的效果。此过程中，额外施加的压力越高意味着水处理过程能量损耗越大，而水通量(水分子通过膜的速度)越小则意味着水处理的效率越低。

与之不同的是，纳滤膜由于孔径略大于反渗透膜，其两边所需施加的压力远远小于反渗透膜(5～10bar左右)，水通量也相对较大，但缺点则是纳滤膜的孔径略大，对于一价离子的阻隔效果较差。

所以，如何兼顾高水通量和高离子阻隔是水处理膜领域的瓶颈问题，基于此，本申请提供一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜，通过对纳滤膜的结构进行改进，以期实现阻隔水中离子的同时，还能获得超高的水通量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜，通过在纳滤膜中构筑层间距在1nm以下且埃级别可控的疏水孔道，不仅可以有效阻隔各种水合离子(包括K⁺、Na⁺、Li⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等)，还能通过二维纳米限域内极大的毛细作用力，获得超高的水通量，有效解决离子阻隔率和水通量不能同时提高的瓶颈问题。

本申请还提供了所述二维纳米岛@石墨烯异质结自组装疏水纳滤膜的制备方法。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种疏水性二维纳米岛@石墨烯异质结材料，其中二维纳米岛结构可以为但不限于Ni-对苯二胺盐酸盐(Ni-pPD)、Cu-对苯二胺盐酸盐(Cu-pPD)、Ni-六氨基苯(Ni-HAB)、Cu-六氨基苯(Cu-HAB)、石墨炔(GDY)、Cu-六巯基苯(Cu-BHT)、或二维共价有机框架。