一种非层状交联氧化石墨烯薄膜及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜的制备领域，尤其涉及一种非层状交联氧化石墨烯薄膜及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]随着经济社会的发展，含油废水的处理日益成为一个全球性的威胁到人体健康和生态环境的问题，传统的分离方法有空气浮选、混凝、吸附等，但是这些方法通常效率低下，也不适用于油水乳液的分离。而膜法作为一种相对新型的分离方法逐步受到人们的关注，但是由于在分离过程中，膜表面易吸附油滴，造成严重的膜污染，引起通量的急剧下降，影响了该技术的实用性。因此抗污染膜的制备成为一个热点。
[0003]石墨烯自2004年出现以来，在短时间内引起了各国科研人员的密切关注，它的发现者Geim AK和Novoselov KS也因此获得2010年诺贝尔奖。石墨稀是单分子层的石墨，由于石墨烯独特的物理、化学性质，它被广泛的应用于电学、光学领域。但是由于石墨烯片层之间强烈的范德华力和π-π相互作用，石墨烯片层的分离非常困难。为了解决这个问题，人们用化学手段将石墨转化为氧化石墨。石墨片上修饰的大量含氧官能团降低了层间吸引力，因此使得氧化石墨在水溶液中能够完全分离成单层的氧化石墨，即氧化石墨烯。
[0004]最近，氧化石墨烯在化工分离领域的应用也正在越来越多的研宄。比如吸附等。特别地，由于氧化石墨烯良好的成膜性、丰富的表面官能团以及良好的水分散性，它在膜分离方面的研宄受到越来越多的关注，见文献(Li H, Song ZN, Zhang XJ, HuangY，Li SG，Mao YT，et al.Ultrathinj Molecular-Sieving Graphene Oxide Membranes forSelective Hydrogen Separat1n.Science 2013, 342:95-8 ；Han Y，Xu Z，Gao C.UltrathinGraphene Nanofiltrat1n Membrane for Water Purificat1n.Adv.Funct.Mater.2013 ；23:3693-700.)。这些研宄都是基于层状结构的氧化石墨烯薄膜，利用氧化石墨烯片层之间的微流道对目标分离体系进行筛分。但是由于层状氧化石墨烯中的扩散路径太长，增大了流体阻力，使得通量非常小。因此对于某些需要高通量的应用，比如油水分离，层状氧化石墨稀薄膜无法满足需求。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种非层状交联氧化石墨烯薄膜的制备方法，可适用于油水乳液的分离，具有高通量及良好的抗污染性能。
[0006]一种非层状交联氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0007](I)将多元氨或端氨基聚合物与氧化石墨烯水分散液混合，分散均匀形成氧化石墨稀溶胶；
[0008](2)将步骤(I)制备的氧化石墨烯溶胶滴加到基底上，70?90°C下密封放置后，得到所述的非层状交联氧化石墨烯薄膜。
[0009]本发明通过溶胶凝胶法，利用化学反应及静电相互作用来对氧化石墨烯进行交联改性，氧化石墨烯上的环氧基和多元氨或端氨基聚合物的氨基发生环氧开环反应，并且氧化石墨烯上的羧基和多元氨或端氨基聚合物上的氨基发生静电相互作用，产生交联结构，再通过溶胶凝胶法制备非层状氧化石墨烯薄膜。
[0010]作为优选，步骤(I)中，所述氧化石墨烯水分散液中氧化石墨烯的质量浓度为5?
10mg/mLo
[0011]作为优选，步骤(I)中，所述多元氨选自乙二胺、丙二胺、丁二胺、己二胺中的至少一种；
[0012]所述端氨基聚合物选自聚乙烯亚胺、超支化聚乙烯亚胺、壳聚糖、聚酰胺、超支化聚酰胺中的至少一种；但并不仅限于以上优选。
[0013]进一步优选，步骤(I)中，所述多元氨或端氨基聚合物与氧化石墨稀的质量比为0.1 ?I。
[0014]作为优选，加入端氨基聚合物时，先将氧化石墨稀水分散液的pH值调节至值调节至>10，防止后续加入的端氨基聚合物在反应中出现絮凝。
[0015]作为优选，所述多元氨或端氨基聚合物的水溶液的质量浓度为10?16mg/mL。
[0016]作为优选，步骤⑵中，所述的基底选自无纺布、微滤膜。
[0017]作为优选，步骤(2)中，密封放置时间为5?10h。进一步优选，80°C下密封放置8h。
[0018]根据上述方法制备得到的非层状交联氧化石墨烯薄膜中，氧化石墨烯纳米片层由多元氨或端氨基聚合物交联起来，并且呈现不规律的无序取向，该薄膜具有超亲水、水下超疏油的性质。
[0019]本发明还公开了所述非层状交联氧化石墨烯薄膜作为油水乳液分离的应用。
[0020]作为优选，所述油水乳液为甲苯/水乳液、正己烧/水乳液、正辛烧/水乳液或
Isopar G/水乳液，油水体积比为1:99。
[0021]测试方法为重力条件下的过滤法，并利用TOC分析非层状交联氧化石墨烯膜对于油水乳液的截留性能。
[0022]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0023]1、本发明的制备方法工艺简单、操作方便；
[0024]2、本发明制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜表面具有大量、相互连接的氧化石墨烯纳米粒子簇，但是呈无序排列，这使得薄膜表面在微观角度下非常粗糙，并且在这些氧化石墨烯纳米粒子簇上可以观察到更微小的纳米尺度的突起状结构；因此较层状石墨烯薄膜的水渗透阻力更小，在常压下，即可实现对多种油水乳液的有效分离；
[0025]3、本发明制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜，在水环境下具有良好的稳定性，能够防止氧化石墨烯纳米粒子从膜上脱落下来；具有极高的水通量和截留率，同时也有非常突出的耐污染性能，能够重复使用；且具有超亲水、水下超疏油的性质。
【附图说明】
[0026]图1为实施例1制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜的截面图；
[0027]图2为实施例1制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜的表面图；
[0028]图3为实施例1制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜的水接触角及水下油接触角；
[0029]图4为实施例1制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜的分离效果。
【具体实施方式】
[0030]实施例1
[0031]将16mg氧化石墨烯(GO)在2ml去离子水中超声1.5小时，得到均匀的氧化石墨烯水分散液，加入4mol/L的氢氧化钠溶液至pH = 12.8，加入0.25ml浓度为16mg/ml的超支化聚乙烯亚胺(PEI)水溶液，剧烈搅拌形成氧化石墨烯溶胶，之后将氧化石墨烯溶胶缓慢均匀地滴加到培养皿中的无纺布上，将培养皿放入密封罐中80°C处理8h之后，用大量清水过滤清洗，以除去残余的氢氧化钠和未反应的超支化聚乙烯亚胺，即制得非层状交联氧化石墨烯薄膜。
[0032]图1和图2分别为本实施例制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜的截面图和表面图，由该图可知，非层状交联氧化石墨烯薄膜的截面呈现均质的海绵状结构，厚度为250 μ m，远大于一般通过真空过滤法制备的氧化石墨烯薄膜，这是因为在非层状交联氧化石墨烯薄膜中，GO纳米粒子不是以水平方向互相堆叠而是保持着无序排列的状态。
[0033]图3为本实施例制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜的水接触角及水下油接触角，由该图可知，在空气中水在膜表面的接触角为0°，在水下油滴在膜表面的接触角为160°。这些结果显示了非层状交联氧化石墨烯薄膜的超亲水性和水下超疏油性。
[0034]将制备的非层状交联氧化石墨烯薄膜置于抽滤装置上进行油水分离测试。实验过程如下:首先将制备好的薄膜置于抽滤装置的砂芯上，膜面朝上；然后将滤杯扣在薄膜上，用夹子固定；然后将油水乳液加入滤杯中进行油水分离实验。通过称量法计算渗透通量，原料和渗透液有机碳含量采用TOC分析，据此计算得到薄膜的渗透通量及截留率。
[0035]测得PEI交联的非层状氧化石墨烯薄膜对甲苯/水乳液、正己烷/水乳液、正辛烷/水乳液和Isopar G/水乳液的截留率均超过99.9%，渗透通量分别为634、688、672和644Lm 2h 1 (见图 4 (a