一種具有高效離子截留性能的還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高效離子截留性能的納米還原?氧化石墨烯涂層修飾陶瓷膜，該方法采用改進的Hummer法，以微晶石墨為主要原料，制備氧化石墨烯；再采用熱還原工藝，獲得還原?氧化石墨烯；將上述納米還原?氧化石墨烯超聲處理后形成的分散液作為涂覆修飾原料，采用負壓抽濾涂覆和熱處理工藝，對陶瓷膜進行修飾，從而獲得結合牢固、導電的還原?氧化石墨烯修飾陶瓷膜；最后對上述還原?氧化石墨烯修飾陶瓷膜的頂/底表面進行被銀網(wǎng)并連接導線，制成膜元件。該膜在外電場的輔助作用下，對溶液中的離子具有較高的離子截留率和滲透通量等優(yōu)良特性，從而拓寬了陶瓷膜的應用領域，同時，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低廉、操作條件易控等優(yōu)點。
【專利說明】
一種具有高效離子截留性能的還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷膜材料技術領域，尤其涉及一種具有高效離子截留性能的還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜。
【背景技術】
[0002]水是生命之源，人類的生產(chǎn)和生活都離不開水，淡水資源的嚴重不足以及水污染的加劇已嚴重制約人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，水處理技術一直備受關注。海水及苦咸水淡化都離不開有效的離子分離去除技術，與傳統(tǒng)的分離技術相比，膜分離技術具有過程簡單、無二次污染、分離系數(shù)大、高效、節(jié)能等優(yōu)點，已經(jīng)成為眾多工業(yè)應用中的是關鍵工序，特別在高純水制備和污水處理方面作用重大。
[0003]目前，工業(yè)應用最多的離子分離去除技術主要有電滲析膜法和反滲透膜法。電滲析法需要較高直流電場(100?300 V)，脫鹽率和水回收率較低，且易結構清洗拆卸麻煩，設備極易損壞;反滲透脫鹽率高，但其操作壓力高(I.5-20 MPa)、能耗大、效率低；當前研究的熱點是有機荷電納濾膜(孔徑為I?2 nm)，其具有較好的離子截留性能，但其所需操作壓力也較高(1.0?10 MPa)，同時存在能耗大、效率低等瓶頸問題。因此，納濾膜技術在廢水和海水脫鹽處理方面的工業(yè)應用亦受到限制。當前常見的孔徑在0.05?0.35 μπι之間的陶瓷膜，其操作壓力一般為0.01?0.2 MPa，滲透通量高，但其對離子不具有截留性能，無法直接用來分離溶液中離子。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種工藝簡單、成本低廉、操作條件易控的具有高效離子截留性能的還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜。
[0005]為解決以上技術問題，本發(fā)明的技術方案是:一種具有高效離子截留性能的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:包括以下步驟:
步驟一:采用改進的Hrnnmer法，以微晶石墨為原料，制備氧化石墨??；
步驟二:采用熱還原工藝，在200?300°C下對步驟一制備的氧化石墨烯進行還原2?4小時，獲得電導率為100?150 s/m的還原-氧化石墨烯;步驟三:將步驟二獲得的還原-氧化石墨稀在300?600 W超聲處理2?4小時后，形成濃度約0.1?0.5 wt%的分散液，以該分散液為修飾原料，采用負壓抽濾涂覆工藝對陶瓷膜孔表面進行涂覆修飾，然后在200?300 °C下烘干2?4小時，獲得結合牢固、導電的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜；
步驟四:對步驟三修飾后的陶瓷膜的頂/底表面進行被銀網(wǎng)并連接導線，并將導線連接外電源。
[0006]所述步驟二中獲得的還原-氧化石墨稀的粒徑為8?20納米。
[0007]所述步驟三中陶瓷膜的材質為非導電材質，其孔徑為50?100納米。
[0008]所述非導電材質是氧化鋁、堇青石、氧化鋯、粘土質、石英、莫來石、氧化鈦中的一種。
[0009]所述步驟三獲得納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜的電導率為2.5?3.5X10—8s/mD
[0010]所述步驟四中外電源為直流電源，其電壓為6?10V。
[0011]所述步驟三中負壓抽濾涂覆工藝的負壓值為-0.8bar，抽濾時間為5分鐘。
[0012]所述步驟三中負壓抽濾涂覆工藝對陶瓷膜孔表面進行涂覆修飾的次數(shù)為3次。
[0013]本發(fā)明一種具有高效離子截留性能的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，針對目前已有的陶瓷膜離子截留性能欠佳的問題，通過納米還原-氧化石墨烯修飾和外電場輔助，可賦予膜具有較高的離子截留率和滲透通量，從而拓寬了陶瓷膜的應用領域。同時，本發(fā)明具有工藝簡單、成本低廉、操作條件易控等優(yōu)點，因此具有廣闊的市場空間。
【附圖說明】
[0014]圖1為納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜制備工藝流程圖；
圖2為納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜微結構圖；
圖3為納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜元件示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0016]實施例1
以改進Hummer法制備的氧化石墨稀，在200 V下熱處理時間為4小時，得到電導率為100s/m、粒徑為15納米的還原-氧化石墨稀。后將該還原-氧化石墨稀在300 W超聲處理2小時，形成濃度為0.1 ?丨％的分散液。再采用負壓抽濾涂覆工藝，將平均孔徑約80納米的氧化鋁陶瓷膜上表面完全接觸上述還原-氧化石墨烯分散液，下表面在-0.8 bar下真空處理5分鐘后，使修飾原料完全進入并通過膜孔道，進而使還原-氧化石墨烯吸附在膜孔道表面。后取出陶瓷膜，再在200°C下熱處理時間為4小時。如此負壓抽濾重復3次，即得到結合牢固、電導率為2.5X10—8 s/m的納米還原-氧化石墨烯修飾的陶瓷膜。
[0017]對上述納米還原-氧化石墨烯修飾的陶瓷膜頂/底表面進行被銀并連接導線，構成膜元件。將該膜元件連接9 V的外接電壓，當跨膜壓為0.15 MPa時，對0.8 X 10—3 mol/1的MgCl2、NaCl、CaCl2溶液進行離子去除，膜對Mg2+、Ca2+、Na+截留率達到87.7%、58.5%、66.8%。同時，膜滲透通量達到1870 l/(m2.h.bar)。
[0018]實施例2
以改進Hummer法制備的氧化石墨烯，在300 °C下熱處理時間為2小時，得到電導率為120s/m、粒徑為20納米還原-氧化石墨稀。后將該還原-氧化石墨稀在600 W超聲處理3小時，形成濃度為0.2 ?丨％的分散液。再采用負壓抽濾涂覆工藝，將平均孔徑約50納米的氧化鋯陶瓷膜上表面完全接觸上述還原-氧化石墨烯分散液，下表面在-0.8 bar下真空處理5分鐘后，使修飾原料完全進入并通過膜孔道，進而使還原-氧化石墨烯吸附在膜孔道表面。后取出陶瓷膜，再在250°C下熱處理時間為3小時。如此負壓抽濾重復3次，即得到結合牢固、電導率為3.1 X 10—8 s/m納米還原-氧化石墨稀修飾的陶瓷膜。
[0019]對上述納米還原-氧化石墨烯修飾的陶瓷膜頂/底表面進行被銀并連接導線，構成膜元件。將該膜元件連接6V的外接電壓，當跨膜壓為0.15 MPa時，對0.8 X 10—3 mol/1的MgCl2、NaCl、CaCl2溶液進行離子去除，膜對Mg2+、Ca2+、Na+截留率達到89.2%、67.5%、73.3%。同時，膜滲透通量達到1056 I/(m2.h.bar)。
[0020]實施例3:
以改進Hummer法制備的氧化石墨稀，在250 °C下熱處理時間為3小時，得到電導率為150s/m、粒徑為8納米還原-氧化石墨稀。后將該還原-氧化石墨稀在450 W超聲處理4小時，形成濃度為0.5 ?〖％的分散液。再采用負壓抽濾涂覆工藝，將平均孔徑約100納米的氧化鈦陶瓷膜上表面完全接觸上述還原-氧化石墨烯分散液，下表面在-0.8 bar下真空處理5分鐘后，使修飾原料完全進入并通過膜孔道，進而使還原-氧化石墨烯吸附在膜孔道表面。后取出陶瓷膜，再在300°C下熱處理時間為4小時。如此負壓抽濾重復3次，即得到結合牢固、電導率為3.5X 10—8 s/m納米還原-氧化石墨稀修飾的陶瓷膜。
[0021]對上述納米還原-氧化石墨烯修飾的陶瓷膜頂/底表面進行被銀并連接導線，構成膜元件。將該膜元件連接1V的外接電壓，當跨膜壓為0.15 MPa時，對I X 10—3 mol/1的MgCl2、NaCl、CaCl2溶液進行離子去除，膜對Mg2+、Ca2+、Na+截留率達到80.8%、54.7%、57.9%。同時，膜滲透通量達到2390 l/(m2.h.bar) ο
[0022]本發(fā)明一種具有高效離子截留性能的還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其工藝參數(shù)不局限于上述列舉的實施例。
【主權項】
1.一種具有高效離子截留性能的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:采用改進的Hrnnmer法，以微晶石墨為原料，制備氧化石墨??； 步驟二:采用熱還原工藝，在200?300°C下對步驟一制備的氧化石墨烯進行還原2?4小時，獲得電導率為100?150 s/m的還原-氧化石墨?。? 步驟三:將步驟二獲得的還原-氧化石墨烯在300?600 W超聲處理2?4小時后，形成濃度約0.1?0.5 ?〖％的分散液，以該分散液為修飾原料，采用負壓抽濾涂覆工藝對陶瓷膜孔表面進行涂覆修飾，然后在200?300°C下烘干2?4小時，獲得結合牢固、導電的還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜； 步驟四:對步驟三修飾后的陶瓷膜的頂/底表面進行被銀網(wǎng)并連接導線，并將導線連接外電源。2.根據(jù)權利要求1所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述步驟二中獲得的還原-氧化石墨烯的粒徑為8?20納米。3.根據(jù)權利要求1所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述步驟三中陶瓷膜的材質為非導電材質，其孔徑為50?100納米。4.根據(jù)權利要求3所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述非導電材質是氧化鋁、堇青石、氧化鋯、粘土質、石英、莫來石、氧化鈦中的一種。5.根據(jù)權利要求1所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述步驟三獲得納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜的電導率為2.5?3.5 X 10—8 s/m。6.根據(jù)權利要求1所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述步驟四中外電源為直流電源，其電壓為6?10V。7.根據(jù)權利要求1所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述步驟三中負壓抽濾涂覆工藝的負壓值為-0.8 bar，抽濾時間為5分鐘。8.根據(jù)權利要求1所述的納米還原-氧化石墨烯修飾陶瓷膜，其特征在于:所述步驟三中負壓抽濾涂覆工藝對陶瓷膜孔表面進行涂覆修飾的次數(shù)為3次。
【文檔編號】B01D67/00GK105879707SQ201610509329
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年7月3日
【發(fā)明人】周健兒, 胡學兵, 張小珍, 汪永清, 常啟兵
【申請人】景德鎮(zhèn)陶瓷大學