太阳光驱动抗污染纳米片组装杂化膜的制备方法与流程

本发明涉及一种太阳光驱动抗污染纳米片组装杂化膜的制备方法。属于膜分离技术领域。

背景技术：

膜广泛存在于自然界中。在生物体内，膜是恒久的、一切生命活动的基础。在生活和生产实践中，人们也早已不自觉的接触和应用了膜过程，我国汉代的《淮南子》已有制豆腐的记叙，这可以说是人类利用自然物质制得食用“人工薄膜”的最早记载。尽管在自然界尤其在生物体内已经广泛而恒久的存在着，但是人类对于膜的认识直至现在也只有二百多年的历史。1960年，膜和膜技术开始引起学术、技术和工业界的广泛重视，并迅速掀起了一个研究、开发各种分离膜及膜过程的高潮，现代膜科学技术得以诞生。在随后的近半个世纪里，膜技术无论是在理论方面还是在实际应用领域均得到飞速发展。

膜为两相之间的选择性屏障。国际理论与应用化学联合会(iupac)将膜定义为“一种三维结构，三维中的一度(如厚度方向)尺寸要比其他两度小地多，并可通过多种推动力进行质量传递”，该定义强调了维度的相对大小和功能(质量传递)。膜有两个明显的特征：一，膜充当两相界面，分别与两侧的流体相接触；二，膜具有选择透过性，这是膜与膜过程的固有特性。膜分离技术就是利用这层膜对组分选择透过性能的差异，来实现对组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。作为新型、高效、绿色的分离技术，膜分离已被广泛应用于石油化工、空气分离、生物医药、食品加工、环保、能源、冶金、海水淡化、医疗等领域，特别适合于现代工业对节能减排、资源高效利用等方面的迫切需要。

膜分离技术自上世纪六十年代逐渐开始大规模工业化应用以后，开始十分迅速，品种日益丰富，应用领域不断发展，其中微滤、超滤、纳滤和反渗透等膜分离技术，被认为是21世纪最有发展前景的高新技术之一。与传统的分离方法相比，膜分离技术具有以下特点：高效率、低能耗、无相变；工作温度在室温附近，特别适合应用于热敏物质的处理；工艺简便、易于与其他过程耦合，装置容易控制和维修；可以直接放大。然而，目前我国膜产业和膜技术总体的研究和应用水平与国外先进技术相比还有很大的差距，主要体现在膜产品的性能与应用领域、膜产品的系列化以及膜过程强化与集成技术的开发上。因此，加强我国膜科学与技术的研究，开发新型高性能的膜材料，并对已有膜材料进行改性，以获得具有更优异性能的分离膜，具有现实和长远的重要意义。

超滤膜，是一种孔径规格一致，额定孔径范围为0.001-0.02微米的微孔过滤膜。在膜的一侧施以适当压力，就能筛出小于孔径的溶质分子，以分离分子量大于500道尔顿(原子质量单位)、粒径大于10纳米的颗粒。超滤膜是最早开发的高分子分离膜之一，在60年代超滤装置就实现了工业化。超滤膜的结构有对称和非对称之分。前者是各向同性的，没有皮层，所有方向上的孔隙都是一样的，属于深层过滤；后者具有较致密的表层和以指状结构为主的底层，表层厚度为0.1微米或更小，并具有排列有序的微孔，底层厚度为200～250微米，属于表层过滤。工业使用的超滤膜一般为非对称膜。超滤膜的膜材料主要有纤维素及其衍生物、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜酰胺、磺化聚砜、交链的聚乙烯醇、改性丙烯酸聚合物等等。

超滤膜污染问题一直是制约超滤膜发展的一个关键问题，如何有效的提高超滤膜的抗污染性能是制备高性能超滤膜的关键。同时，为了提高超滤膜的处理能力，有效的提高膜的渗透通量是关键。然而，提高膜的渗透通量的同时，会带来更严重的膜污染。因此，在提高超滤膜的渗透通量的同时保证高的抗污染性能成为现在研究的热点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种太阳光驱动抗污染纳米片组装杂化膜及制备方法，该制备方法过程简单易操作，所制备的超滤膜相较于传统相转化成膜方法制备的超滤膜具有极高的渗透通量，同时通过光催化剂的引入，能有效分解吸附在膜表面的油污染物，提高超滤膜的抗污染性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供的太阳光驱动抗污染纳米片组装杂化膜的制备方法的一种技术方案是，包括以下步骤：

步骤一、碳三氮四纳米片的制备：将一定量的三聚氰胺放在铝坩埚中，在空气气氛下，利用马弗炉以一定的升温速度上升到550℃并在550℃下4个小时，得到碳三氮四黄色粉末，将上述粉末放在铝坩埚内，利用马弗炉以一定升温速度上升到480℃，并在480℃下保持2个小时，得到碳三氮四纳米片粉末，备用；

步骤二、纳米片杂化组装膜的制备：制备质量体积浓度为1mg/l的氧化石墨烯溶液，备用；将该技术方案步骤一得到的氮三氮四纳米片粉末配制成质量体积浓度为1mg/l的氮三氮四纳米片水溶液；按照体积为1：1将上述氧化石墨烯溶液与碳三氮四纳米片水溶液混合得到混合溶液，按照容积面积比为40ml/12.56cm²将该混合溶液真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上；将上述制得的沉积有氧化石墨烯和碳三氮四的微滤膜在50℃下干燥12小时后，从而得到膜厚为35.8～78.7nm，渗透通量为101.33～346.67lm^-2h^-1bar^-1的氮三氮四纳米片杂化组装超滤膜。

上述技术方案制备得到的氮三氮四纳米片杂化组装膜，经过太阳光照射后，其通量恢复由50.53％提高到62.31％。

本发明提供的太阳光驱动抗污染纳米片组装杂化膜的制备方法的另一种技术方案是，包括以下步骤：

步骤一、碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的制备：利用仿生矿化的方法，以钛酸四丁酯为二氧化钛前驱体，精氨酸为催化剂制备碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片，备用；

步骤二、纳米片杂化组装膜的制备：制备质量体积浓度为1mg/l的氧化石墨烯溶液，备用；将该技术方案步骤一得到的碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片配制成质量体积浓度为1mg/l的碳三氮四负载二氧化钛水溶液；将上述氧化石墨烯溶液与碳三氮四负载二氧化钛水溶液混合得到混合溶液，其中，氧化石墨烯与碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的质量比为10～30：20～180；按照容积面积比为54.2～200ml/12.56cm²将上述混合溶液真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上，将制得的沉积有氧化石墨烯和碳三氮四负载二氧化钛的微滤膜在50℃下干燥12小时，从而得到膜厚为35.8～248.6nm，渗透通量为101.33～4536.00lm^-2h^-1bar^-1的纳米片杂化组装超滤膜。

进一步讲，该技术方案中，所述步骤一的具体步骤是：将一定量的三聚氰胺放在铝坩埚中，在空气气氛下，利用马弗炉以一定的升温速度上升到550℃并保持在550℃下4个小时，得到碳三氮四黄色粉末；按照质量体积比为0.24～0.56g/5ml将上述碳三氮四黄色粉末分散在去离子水中得到分散液；向分散液中加入浓度为0.3mol/l的精氨酸溶液，其中，精氨酸溶液与分散液的体积比为4：1，搅拌3个小时；再加入钛酸四丁酯水溶液，其中，所述钛酸四丁酯与碳三氮四的质量比为0.17：0.24～0.56，ph＝7下反应30分钟；将反应物离心得到沉淀物，用去离子水清洗，然后进行冷冻干燥得到粉末；将得到的粉末放在铝坩埚内，利用马弗炉以一定升温速度上升到480℃，并在该温度下保持2个小时，最终所得即为碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片。

该技术方案制备得到的碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片经过太阳光照射后，其通量恢复由50.53％提高到62.31％～100.00％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明超滤膜的制备过程简单易操作，所制备的超滤膜的相较于传统的相转化超滤膜膜厚度大大降低，传统相转化膜的厚度为100～300μm，而本发明中制备的超滤膜厚度为35.8-248.6nm，减少了膜制备原料的使用；同时由于光催化剂碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的引入，有效的提高了超滤膜的通量。利用光催化剂碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的光催化降解油污染物的能力，有效的提高了纳米片组装杂化膜的亲水性，得到抗污染高通量超滤膜。该方法制备的超滤膜可以用于含油废水分离，并具有较高的抗污染性能。

附图说明

图1-1为实施例1所制备的go/g-c3n4组装膜的水接触角。

图1-2为实施例1所制备的go/g-c3n4组装膜的渗透通量图。

图1-3是实施例1所制备的go/g-c3n4组装膜的抗污染数据。

图2-1是实施例2所制备的go/g-c3n4@tio2-1组装膜的水接触角。

图2-2是实施例2所制备的go/g-c3n4@tio2-1组装膜的渗透通量图。

图2-3为实施例2所制备的go/g-c3n4@tio2-1组装膜的抗污染数据。

图3-1为实施例3所制备的go/g-c3n4@tio2-3组装膜的水接触角。

图3-2为实施例3所制备的go/g-c3n4@tio2-3组装膜的渗透通量图。

图3-3为实施例3所制备的go/g-c3n4@tio2-3组装膜抗污染数据。

图4-1是实施例4所制备的go/g-c3n4@tio2-4组装膜的水接触角。

图4-2是实施例4所制备的go/g-c3n4@tio2-4组装膜的渗透通量图。

图4-3为实施例4所制备的go/g-c3n4@tio2-4组装膜的抗污染数据。

图5-1为对比例所制备的go组装膜的水接触角。

图5-2为对比例所制备的go膜的渗透通量图。

图5-3为对比例所制备的go组装膜抗污染数据。

具体实施方式

本发明的设计思路是：以氧化石墨烯为基膜材料，通过在氧化石墨烯真空辅助自组装过程中引入碳三氮四或碳三氮四负载二氧化钛，利用氧化石墨烯中羧基与碳三氮四中氨基之间的相互作用提高成膜强度，通过改变碳三氮四负载二氧化钛中二氧化钛的负载量调控纳米片杂化膜的渗透通量和抗污染性能。碳三氮四负载二氧化钛中二氧化钛的负载量是0-89.0wt％。本发明制备的超滤膜可以广泛用于油水乳化液分离，其制备方法便捷、简单。下面结合具体实施例和附表对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

实施例1、制备一种可实现太阳光驱动抗污染的纳米片组装杂化膜，步骤如下：

步骤一、制备碳三氮四纳米片：将一定量的三聚氰胺放在铝坩埚中，在空气气氛下，利用马弗炉以一定的升温速度上升到550℃并保持在550℃下4个小时，得到碳三氮四黄色粉末。将上述粉末放在铝坩埚内，利用马弗炉以一定升温速度上升到480℃，并在该温度下保持2个小时，得到碳三氮四纳米片用于后续的超滤膜制备。

步骤二、纳米片杂化组装膜的制备：将步骤1得到的氮三氮四纳米片粉末以及氧化石墨烯分别配制成浓度为1mg/l的水溶液，取氧化石墨烯溶液20.0ml碳三氮四纳米片溶液20ml真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上，该微滤膜是直径为4cm的圆形膜。将上述制备的沉积有氧化石墨烯和碳三氮四的微滤膜在50℃下干燥12小时后，得到纳米片杂化组装超滤膜，记作go/g-c3n4。

实施例1制备得到的go/g-c3n4超滤膜经过电镜分析，膜孔分布均匀，成膜性能良好，并且具有很高的膜孔隙率。由于碳三氮四纳米片的亲水性低于氧化石墨烯，相较于对比例制得的go膜，go/g-c3n4膜的亲水性略有降低，如图1-1。由于碳三氮四纳米片的引入，氧化石墨烯之间的片层间距增加，因而制备的组装膜的渗透通量提高，如图2-2。由于碳三氮四纳米片具有光催化降解油污染物的能力，因此碳三氮四纳米片的引入提高了膜的抗污染性能，如图1-3。经过模拟太阳光照射后，go/g-c3n4超滤膜的渗透通量从101.33lm^-2h^-1bar^-1提高到346.67lm^-2h^-1bar^-1通量恢复率由50.53％提高到62.31％

实施例2、制备一种可实现太阳光驱动抗污染的纳米片组装杂化膜，步骤如下：

步骤一、利用仿生矿化的方法制备碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片。将一定量的三聚氰胺放在铝坩埚中，在空气气氛下，利用马弗炉以一定的升温速度上升到550℃并保持在550℃下4个小时，得到碳三氮四黄色粉末。将一定量上述制备的碳三氮四黄色粉末0.56g分散在5ml去离子水中，加入20ml浓度为0.3mol/l精氨酸溶液搅拌3个小时，加入含有0.17g钛酸四丁酯的水溶液，并且控制反应ph＝7反应30分钟。将反应物离心，并用去离子水清洗沉淀物，并对所得物进行冷冻干燥。将上述粉末放在铝坩埚内，利用马弗炉以一定升温速度上升到480℃，并在改温度下保持2个小时，得到碳三氮四负载二氧化钛粉末用于后续的超滤膜制备。

步骤二、将步骤一得到的氮三氮四负载二氧化钛粉末以及氧化石墨烯分别配制成浓度为1mg/l的水溶液，取氧化石墨烯溶液20.0ml碳三氮四负载二氧化钛溶液34.2ml混合后真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上，该微滤膜是直径为4cm的圆形膜。将上述制备的沉积有氧化石墨烯和碳三氮四负载二氧化钛的微滤膜在50℃下干燥12小时后，得到纳米片杂化组装超滤膜，记作go/g-c3n4@tio2-1。

实施例2制备得到的go/g-c3n4-1超滤膜经过电镜分析，膜孔分布均匀，成膜性能良好，并且具有很高的膜孔隙率。由于碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片中的二氧化钛负载量较低，因此亲水性低于氧化石墨烯，相较于对比例制得的go膜，go/g-c3n4@tio2-1膜的亲水性略有降低，如图2-1。由于碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的引入，氧化石墨烯之间的片层间距增加，因而制备的组装膜的渗透通量提高，如图2-2。由于碳三氮四纳米片具有光催化降解油污染物的能力，因此碳三氮四纳米片的引入提高了膜的抗污染性能，如图2-3。经过模拟太阳光照射后，go/g-c3n4@tio2-1超滤膜的渗透通量从101.33lm^-2h^-1bar^-1提高到1085.33lm^-2h^-1bar^-1通量恢复率由50.53％提高到80.84％

实施例3、制备一种可实现太阳光驱动抗污染的纳米片组装杂化膜，步骤如下：

步骤一、利用仿生矿化的方法制备碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片。将一定量的三聚氰胺放在铝坩埚中，在空气气氛下，利用马弗炉以一定的升温速度上升到550℃并保持在550℃下4个小时，得到碳三氮四黄色粉末。将一定量上述制备的碳三氮四黄色粉末0.32g分散在5ml去离子水中，加入20ml浓度为0.3mol/l精氨酸溶液搅拌3个小时，加入含有0.17g钛酸四丁酯的水溶液，并且控制反应ph＝7反应30分钟。将反应物离心，并用去离子水清洗沉淀物，并对所得物进行冷冻干燥。将上述粉末放在铝坩埚内，利用马弗炉以一定升温速度上升到480℃，并在改温度下保持2个小时，得到碳三氮四负载二氧化钛粉末用于后续的超滤膜制备。

将步骤一得到的氮三氮四负载二氧化钛粉末以及氧化石墨烯分别配制成浓度为1mg/l的水溶液，取氧化石墨烯溶液20.0ml碳三氮四负载二氧化钛溶液77.5ml混合后真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上，该微滤膜是直径为4cm的圆形膜。将上述制备的沉积有氧化石墨烯和碳三氮四负载二氧化钛的微滤膜在50℃下干燥12小时后，得到纳米片杂化组装超滤膜，记作go/g-c3n4@tio2-3。

实施例3制备得到的go/g-c3n4@tio2-3超滤膜经过电镜分析，膜孔分布均匀，成膜性能良好，并且具有很高的膜孔隙率。由于碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片中的二氧化钛负载量提高，因此亲水性高于氧化石墨烯，相较于对比例制得的go膜，go/g-c3n4@tio2-3膜的亲水性提高，如图2-1。由于碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的引入，氧化石墨烯之间的片层间距增加，因而制备的组装膜的渗透通量提高，如图2-2。由于碳三氮四纳米片具有光催化降解油污染物的能力，因此碳三氮四纳米片的引入提高了膜的抗污染性能，如图2-3。经过模拟太阳光照射后，go/g-c3n4@tio2-3超滤膜的渗透通量从101.33lm^-2h^-1bar^-1提高到4536.00lm^-2h^-1bar^-1通量恢复率由50.53％提高到99.71％

实施例4、制备一种可实现太阳光驱动抗污染的纳米片组装杂化膜，，步骤如下：

步骤一、利用仿生矿化的方法制备碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片。将一定量的三聚氰胺放在铝坩埚中，在空气气氛下，利用马弗炉以一定的升温速度上升到550℃并保持在550℃下4个小时，得到碳三氮四黄色粉末。将一定量上述制备的碳三氮四黄色粉末0.24g分散在5ml去离子水中，加入20ml浓度为0.3mol/l精氨酸溶液搅拌3个小时，加入含有0.17g钛酸四丁酯的水溶液，并且控制反应ph＝7反应30分钟。将反应物离心，并用去离子水清洗沉淀物，并对所得物进行冷冻干燥。将上述粉末放在铝坩埚内，利用马弗炉以一定升温速度上升到480℃，并在改温度下保持2个小时，得到碳三氮四负载二氧化钛粉末用于后续的超滤膜制备。

将步骤一得到的氮三氮四负载二氧化钛粉末以及氧化石墨烯分别配制成浓度为1mg/l的水溶液，取氧化石墨烯溶液20.0ml碳三氮四负载二氧化钛溶液180.0ml混合后真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上。将上述制备的沉积有氧化石墨烯和碳三氮四负载二氧化钛的微滤膜在50℃下干燥12小时后，得到纳米片杂化组装超滤膜，记作go/g-c3n4@tio2-4。

实施例4制备得到的go/g-c3n4@tio2-4超滤膜经过电镜分析，膜孔分布均匀，成膜性能良好，并且具有很高的膜孔隙率。由于碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片中的二氧化钛负载量提高，因此亲水性高于氧化石墨烯，相较于对比例制得的go膜，go/g-c3n4@tio2-4膜的亲水性提高，如图4-1。由于碳三氮四负载二氧化钛复合纳米片的引入，氧化石墨烯之间的片层间距增加，因而制备的组装膜的渗透通量提高，如图4-2。由于碳三氮四纳米片具有光催化降解油污染物的能力，因此碳三氮四纳米片的引入提高了膜的抗污染性能，如图4-3。经过模拟太阳光照射后，go/g-c3n4@tio2-4超滤膜的渗透通量从101.33lm^-2h^-1bar^-1提高到1397.33lm^-2h^-1bar^-1通量恢复率由50.53％提高到100.00％

对比例、制备一种氧化石墨烯组装膜，步骤如下：

氧化石墨烯配制成浓度为1mg/l的水溶液，取氧化石墨烯溶液20.0ml真空过滤到孔径为0.22微米的混合纤维素的微滤膜上。将上述制备的沉积有氧化石墨烯的微滤膜在50℃下干燥12小时后，得到氧化石墨烯组装膜，记作go。

该对比例中所得的氧化石墨烯组装膜经过扫面电镜分析，膜表面较平整。接触角渗透通量以及抗污染如图5-1、5-2、5-3，该膜的渗透通量为101.33lm^-2h^-1bar^-1，通量恢复率为50.53％

显然，采用本发明制备方法制得的纳米片组装膜在用于水处理过程中，展现了高的渗透通量和优良的抗污染效果，相较于氧化石墨烯膜，渗透通量从101.33lm^-2h^-1bar^-1提高到4536.00lm^-2h^-1bar^-1，经过模拟太阳光照射后，通量恢复由50.53％提到到99.71％。所制备的纳米片组装膜具有高的渗透通量以及优异的抗污染性能。

综上所述，本发明提供的一种太阳光驱动抗污染纳米片组装杂化膜的制备方法，制备条件温和，制备工艺简单易行，通过利用碳三氮四负载氧化石墨烯复合纳米片的光催化降解油污染物的性能，可以达到高通量抗污染超滤膜。本发明制备方法中通过碳三氮四纳米片的引入，有利提高了氧化石墨烯纳米片片层间距，提高组装膜的渗透通量，同时，由于碳三氮四具有很好的光催化降解污染物的作用，能有效的提高组装膜的抗污染性能。另外，通过在碳三氮四纳米片上负载二氧化钛纳米颗粒制备复合纳米片，引入到氧化石墨烯纳米片组装过程中，进一步提高组装膜的渗透通量，二氧化钛的引入进一步提高了膜的光催化性能，从而提高了膜的抗污染性能。由于二氧化钛的引入会增加组装膜的厚度，对膜的渗透通量具有不利影响，因此当二氧化钛引入过多，会降低组装膜的渗透通量。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。