具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜及其制备方法

1.本发明涉及抗污染膜的制备方法，尤其涉及一种具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜及其制备方法。


背景技术：

2.氧化石墨烯(go)具有原子级厚度、超大比表面积、高机械强度和化学稳定性，在超快传质通道的构建上广受青睐，被认为是新一代高性能分离膜材料，已在气体分离、质子传递、脱盐、离子或分子筛分等领域展现可观的应用前景。然而，膜污染是高性能go膜的开发的共性瓶颈问题。尽管go表面含有丰富的含氧官能团，但其基团的不均匀分布以及c-h键固有的亲脂性，导致go膜表面与污染物之间产生强烈相互作用。同时，go膜由于较高的渗透通量，其表面浓差极化效应严重，大量污染物到达膜表面并与膜表面产生非特异性相互作用，导致更严重的通量衰减和分离性能损失。亟待开发具有优异抗污染性能的go膜。
3.表面亲水化是阻止污染物在表面接触，提升表面抗污染性能的最常用的手段之一。其基本原理是通过静电或氢键将水分子紧密结合于表面形成连续水合层，为污染物的接触与粘附提供空间和能量屏障。尽管已经对go基分离膜进行亲水改性，但仍然难以减轻其在高通量下严重的通量衰减(》60％)，限制go膜的应用。造成这种现象的主要原因是水合层外部的界面水主要以分子间作用力吸附在表面上，相互作用力较弱，使水合层不稳定，在长期暴露于污染环境后，由于表面水合结构破坏造成污染物与表面接触，导致抗污染性能下降。因此，构建能形成稳定水合结构的抗污染改性层是获得高抗污染性能的关键。植酸(pa)是一种含有六个磷酸基团的亲水小分子。其中磷酸基团水合自由能约为47.3kj mol-1
，能够形成连续水合层，已广泛用于表面亲水改性。然而，提升pa基表面水合层内聚强度的表面改性策略与方法尚未报道。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术，本发明提出了具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜及其制备方法，通过亲水性植酸和糖酸依次在膜表面组装，形成具有多级亲水结构的涂层，提升表面水合层内聚强度，从而提升go膜的抗污染性能。
5.为了解决上述技术问题，本发明提出的一种具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜，由植酸基超亲水层在go纳米片原位生长，得到具有植酸基超亲水层在go纳米片；然后，通过成膜技术制备基于植酸的超亲水go膜，最终，基于植酸耦合糖链的多级亲水结构组装得到具有多级亲水结构的go膜。
6.上述抗污染氧化石墨烯膜的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一，植酸基超亲水层在go纳米片的原位生长：配置go质量浓度为5～100μg/ml、植酸摩尔浓度为0.1～20mm的go/植酸混合分散液；然后，在上述go/植酸混合分散液中加入摩尔浓度为0.1～20mm的过渡金属盐溶液，在得到混合液中，以每毫克go计，其中植酸为0.075mmol，金属盐为0.0375mmol；在摇床中组装5～60min，得到具有植酸基超亲水层的
go纳米片，简称为pa@go纳米片；
8.步骤二，基于植酸的超亲水go膜的制备：将步骤一得到的pa@go纳米片通过成膜技术，制备基于植酸的超亲水go膜，简称为hgo膜；
9.步骤三，基于植酸耦合糖链的多级亲水结构组装：将步骤二得到的hgo膜浸于摩尔浓度为0.025～1.0mm的过渡金属盐溶液中，在摇床中组装5～60min；洗涤后浸于摩尔浓度为0.5～5mm的糖酸溶液中，在摇床中组装5～60min；洗涤后得到具有多级亲水结构的go膜。
10.进一步讲，本发明所述的制备方法，其中，所述的过渡金属盐为硝酸银、氯化铁、氯化锌、氯化镍、氯化钙、硝酸锆的任意一种或两种以上的组合。
11.步骤二中，所述成膜技术选自真空辅助自组装、模板法、滴涂和旋涂中的一种。
12.步骤三中，所述过渡金属盐溶液为摩尔浓度为0.025～0.5mm的氯化铁溶液。
13.步骤三中，所述糖酸溶液中的糖酸为苏糖酸、木糖酸、阿糖酸、核糖酸、葡萄糖酸、甘露糖酸、半乳糖酸、艾杜糖酸和葡庚糖酸中的任意一种或两种以上的组合。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.(1)选用亲水植酸和糖酸，通过配位桥联组装方法制备具有多级亲水结构的go膜，多级亲水结构的涂层作为物理屏障阻止污染物与go膜接触，降低两者非特异性相互作用，防止污染物在膜表面堆积形成滤饼层，提升go膜的抗污染性能，实现低通量衰减率和高通量恢复率。
16.(2)实现具有连续的植酸基底耦合分子级分散的糖链的多级亲水结构表面的可控构建。pa层具有优异的水合能力，可形成连续的水合层，分子级分布的糖链具有丰富的羟基，可以与水合层中的界面水产生氢键相互作用，形成水合叠加效应，从而增加水合层的内聚强度，限制污染物在go膜表面的接触与污染，实现污染物的超低粘附。
17.(3)基于pa对go纳米片进行表面工程，制备的pa层提高了组装膜的层间距并通过刚性化孔道增强膜结构稳定性，有效提升了膜的渗透通量，避免插层剂的使用
18.(4)制备工艺简单、制备流程较短、反应条件温和可控、操作较为方便、绿色环保、无有机溶剂使用。
附图说明
19.图1是本发明所述的s-hgo膜的结构及防污行为示意图；
20.图2为实施例1中制备的s-hgo膜的扫描电子显微镜照片；
21.图3为实施例1中制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图；
22.图4为实施例3中制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图；
23.图5为实施例5中制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图；
24.图6为实施例6中制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图；
25.图7为实施例7中制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图；
26.图8为对比例1中制备的hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图；
27.图9为对比例2中制备的go膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图。
具体实施方式
28.本发明具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜及其制备方法的设计构思是，如
图1所示，采用配位驱动的桥联组装方法通过亲水性pa和糖酸在go膜表面组装，形成具有多级亲水结构的超亲水涂层。其中，pa形成连续的亲水基底，诱导水分子水化形成致密的水合层。分子级分布的糖酸通过羟基与pa层诱导形成的界面水形成氢键相互作用，产生水合叠加效应，从而增加水合层的内聚强度，实现污染物的超低粘附和抗污染性能强化。制备的步骤主要包括，pa基超亲水层在go纳米片的原位生长；基于pa的超亲水go膜的制备；基于pa耦合糖链的多级亲水结构组装，制备具有多级亲水结构的go膜。该方法实现了具有连续pa超亲水基底耦合分子级分散的糖链的多级亲水结构表面的可控构建。
29.下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本技术权利要求的保护范围。
30.实施例1
31.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，步骤如下：
32.步骤一，pa基超亲水层在go纳米片的原位生长：配置go质量浓度为16.7μg/ml、摩尔浓度为1.25mm(即将25ml的go分散液与34.7μl质量浓度为50％的pa溶液混合)的go/植酸混合分散液。然后，在上述混合分散液中加入5ml摩尔浓度为3.75mm的氯化铁溶液，在25℃、150rpm的摇床中组装10min。得到具有植酸基超亲水层在go纳米片，记为pa@go纳米片；
33.步骤二，基于pa的超亲水go膜的制备：将步骤一得到的pa@go纳米片通过真空辅助自组装技术，制备基于植酸的超亲水go膜，记为hgo膜；
34.步骤三，基于pa耦合糖链的多级亲水结构组装：
35.将步骤二得到的hgo膜进行金属离子组装：取面积为15.9cm2由步骤二得到的hgo膜浸于30ml摩尔浓度为0.125mm的氯化铁溶液中，在25℃、100rpm震荡10min；
36.将洗涤后的膜进行糖酸组装：将洗涤后的膜浸于30ml摩尔浓度为2mm的阿糖酸溶液中，在25℃、100rpm震荡10min；洗涤后得到具有多级亲水结构的go膜，记为s-hgo膜。图2是该s-hgo膜的扫描电子显微镜照片
37.经测试，实施例1所制备的s-hgo膜的初始水接触角为8.8
°
，水下四氯化碳接触角为162.1
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为8.0％，清洗后，膜的通量恢复率为98.7％。图3为实施例1所制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间变化图。
38.实施例2
39.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的糖酸组装中，将糖酸种类由阿糖酸更改为苏糖酸，制备得到s-hgo膜。
40.经测试，实施例2所制备的s-hgo膜的初始水接触角为8.4
°
，水下四氯化碳接触角为156.8
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为15.6％，清洗后，膜的通量恢复率为93.0％。
41.实施例3
42.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的糖酸组装中，将糖酸种类由阿糖酸更改为葡萄糖酸，制备得到s-hgo膜。
43.经测试，实施例3所制备的s-hgo膜的初始水接触角为9.2
°
，水下四氯化碳接触角为160.0
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为13.0％，清洗后，膜的通量恢复率为94.7％。图4为实施例3所制备的s-hgo膜的归一化通量
随抗污染测试运行时间变化图。
44.实施例4
45.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的糖酸组装中，所将糖酸种类由阿糖酸更改为葡庚糖酸，制备得到s-hgo膜。
46.经测试，实施例4所制备的s-hgo膜的初始水接触角为10.0
°
，水下四氯化碳接触角为159.1
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为18.9％，清洗后，膜的通量恢复率为94.3％。
47.实施例5
48.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的金属离子组装中，所述的氯化铁溶液浓度由0.125mm更改为0.025mm，制备得到s-hgo膜。
49.经测试，实施例5所制备的s-hgo膜的初始水接触角为8.4
°
，水下四氯化碳接触角为156.8
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为15.4％，清洗后，膜的通量恢复率为92.5％。图5为实施例5所制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间变化图。
50.实施例6
51.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的金属离子组装中，所述的氯化铁溶液浓度由0.125mm更改为0.225mm，制备得到s-hgo膜。
52.经测试，实施例6所制备的s-hgo膜的初始水接触角为10.2
°
，水下四氯化碳接触角为156.6
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为10.1％，清洗后，膜的通量恢复率为94.6％。图6为实施例6所制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间变化图。
53.实施例7
54.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的金属离子组装中，所述的氯化铁溶液浓度由0.125mm更改为0.325mm，制备得到s-hgo膜。
55.经测试，实施例7所制备的s-hgo膜的初始水接触角为11.3
°
，水下四氯化碳接触角为155.3
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为16.6％，清洗后，膜的通量恢复率为93.3％。图7为实施例7所制备的s-hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间变化图。
56.实施例8
57.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的金属离子组装中，所述的氯化铁溶液浓度由0.125mm更改为0.5mm，制备得到s-hgo膜。
58.经测试，实施例8所制备的s-hgo膜的初始水接触角为13.9
°
，水下四氯化碳接触角为152.8
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为19.6％，清洗后，膜的通量恢复率为91.7％。
59.实施例9
60.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的金属离子组装中，所述的氯化铁溶液浓度由0.125mm更改为1mm，制备得到s-hgo膜。
61.经测试，实施例9所制备的s-hgo膜的初始水接触角为14.3
°
，水下四氯化碳接触角为151.6
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为29.4％，清洗后，膜的通量恢复率为89.7％。
62.实施例10
63.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三中，金属离子组装过程中，振荡频率由100rpm改为50rpm，组装时间由10min改为30min；糖酸组装过程中，将糖酸种类由阿糖酸更改为葡萄糖酸，振荡频率由100rpm改为50rpm，组装时间由10min改为30min，制备得到s-hgo膜。
64.经测试，实施例10所制备的s-hgo膜的初始水接触角为9.3
°
，水下四氯化碳接触角为159.7
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为13.4％，清洗后，膜的通量恢复率为94.8％。
65.实施例11
66.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三中，金属离子组装过程中，金属盐溶液种类由氯化铁改为氯化钙，振荡频率由100rpm改为150rpm，组装时间由10min改为60min；糖酸组装过程中，振荡频率由100rpm改为150rpm，组装时间由10min改为60min，制备得到s-hgo膜。
67.经测试，实施例11所制备的s-hgo膜的初始水接触角为8.9
°
，水下四氯化碳接触角为161.7
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为8.5％，清洗后，膜的通量恢复率为98.5％。
68.实施例12
69.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的糖酸组装中，将糖酸溶液浓度由2mm改为0.5mm，制备得到s-hgo膜。
70.经测试，实施例12所制备的s-hgo膜的初始水接触角为8.5
°
，水下四氯化碳接触角为162.0
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为8.3％，清洗后，膜的通量恢复率为98.5％。
71.实施例13
72.具有多级亲水结构的抗污染go膜的制备，制备过程与实施例1基本相同，不同仅为：步骤三的糖酸组装中，将糖酸溶液浓度由2mm改为5mm，制备得到s-hgo膜。
73.经测试，实施例13所制备的s-hgo膜的初始水接触角为8.9
°
，水下四氯化碳接触角为162.3
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为8.1％，清洗后，膜的通量恢复率为98.4％。
74.对比例1
75.hgo膜的测试，将实施例1中经过步骤一和步骤二制备得到的hgo膜进行测试，该膜的初始水接触角为7.8
°
，水下四氯化碳接触角为155.9
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为28.1％，清洗后，膜的通量恢复率为90.5％。图8为对比例1中制备的hgo膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图。
76.对比例2
77.go膜的测试，按照下述步骤制备go膜：将go纳米片均匀分散于水中，采用真空辅助自组装技术制备go膜。
78.经测试，该go膜的初始水接触角为65.2
°
，水下四氯化碳接触角为121.4
°
。采用浓度为1000ppm的十六烷乳液对膜进行抗污染性能测试，膜的通量衰减率为40.4％，清洗后，膜的通量恢复率为72.3％。图9为对比例2中制备的go膜的归一化通量随抗污染测试运行时间的变化图。
79.表1本发明实施例和对比例的测试数据
[0080][0081]
根据上述所有实施例和对比例的制备条件及表1和图1～9，可以得出：与hgo膜的水接触角相比，负载糖链的s-hgo膜的水接触角略微增加。这是因为糖链的羟基密度小于pa，通过图3和图8可以得出：本发明制备的具有多级亲水结构的s-hgo膜较单一亲水结构的hgo膜相比，通量衰减率大幅下降，通量恢复率显著提升；通过图3和图9可以得出：与对比例2改性前go膜(65.2
°
)相比，由于亲水性和水合能力的提升，本发明制备的s-hgo膜的通量衰减率下降约80％，通量恢复率提升近1.4倍。通过图3和图5～7可以得出：增加浸泡fe
3+
溶液的浓度，s-hgo膜的水接触角逐渐增大，水下油接触角先增大后减小，膜的通量衰减率先减小后增大，通量恢复率先增大后减小。当浸泡fe
3+
溶液的浓度过大时，由于膜表面负载的糖链分子密度过大，水分子难以进入链间，使膜表面水合能力下降，膜抗污染性能降低，过大的fe
3+
溶液的浓度使膜的通量衰减率》30％，通量恢复率《85％。增加糖酸分子链长度，s-hgo
膜的水接触角逐渐增大，水下油接触角先增大后减小，膜的通量衰减率先减小后增大，通量恢复率先增大后减小。增加糖酸在表面的组装时间、振荡频率和组装的金属离子种类，对膜的表面性能影响较小。
[0082]
本发明所得膜同时具有连续pa基底和分子级分散的糖链微区，实现了膜表面多级亲水结构的可控构建。其中，植酸层形成连续的水合层，分子级分布的糖链通过羟基与水合层中的界面水产生氢键相互作用，产生水合叠加效应，从而增加水合层的内聚强度，实现污染物的超低粘附，有效地提升了go膜的抗污染性能。与仅有pa基底的对比例1相比，所得的膜的水下油接触角大幅提升，污染物与表面的接触面积大幅减小，使污染物在水力剪切作用下立即与膜表面分离，防止滤饼层的形成，从而提升抗污染性能。
[0083]
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，还可以做出很多变化，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜，其特征在于，由植酸基超亲水层在go纳米片原位生长，得到具有植酸基超亲水层的go纳米片；然后，通过成膜技术制备基于植酸的超亲水go膜，最终，基于植酸耦合糖链的多级亲水结构组装得到具有多级亲水结构的go膜。2.一种如权利要求1所述抗污染氧化石墨烯膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，植酸基超亲水层在go纳米片的原位生长：配置go质量浓度为5～100μg/ml、植酸摩尔浓度为0.1～20mm的go/植酸混合分散液；然后，在上述go/植酸混合分散液中加入摩尔浓度为0.1～20mm的过渡金属盐溶液，在得到混合液中，以每毫克go计，其中植酸为0.075mmol，金属盐为0.0375mmol；在摇床中组装5～60min，得到具有植酸基超亲水层的go纳米片，简称为pa@go纳米片；步骤二，基于植酸的超亲水go膜的制备：将步骤一得到的pa@go纳米片通过成膜技术，制备基于植酸的超亲水go膜，简称为hgo膜；步骤三，基于植酸耦合糖链的多级亲水结构组装：将步骤二得到的hgo膜浸于摩尔浓度为0.025～1.0mm的过渡金属盐溶液中，在摇床中组装5～60min；洗涤后浸于摩尔浓度为0.5～5mm的糖酸溶液中，在摇床中组装5～60min；洗涤后得到具有多级亲水结构的go膜。3.根据权利要求2中所述的制备方法，其特征在于，所述的过渡金属盐为硝酸银、氯化铁、氯化锌、氯化镍、氯化钙、硝酸锆的任意一种或两种以上的组合。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述过渡金属盐溶液为摩尔浓度为0.025～0.5mm的氯化铁溶液。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述糖酸溶液中的糖酸为苏糖酸、木糖酸、阿糖酸、核糖酸、葡萄糖酸、甘露糖酸、半乳糖酸、艾杜糖酸和葡庚糖酸中的任意一种或两种以上的组合。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述成膜技术选自真空辅助自组装、模板法、滴涂和旋涂中的一种。

技术总结
本发明公开了一种具有多级亲水结构的抗污染氧化石墨烯膜的制备方法。主要包括以下步骤：在氧化石墨烯纳米片表面原位生长植酸基超亲水层；将生长植酸基超亲水层的氧化石墨烯纳米片组装成超亲水氧化石墨烯膜；通过配位驱动的桥联组装方法在超亲水氧化石墨烯膜表面组装糖酸，形成具有多级亲水结构的氧化石墨烯膜。该方法实现了具有连续植酸基底耦合分子级分散的糖链的多级亲水结构表面的可控构建。植酸层形成连续的水合层，分子级分布的糖链通过羟基与水合层中的界面水产生氢键相互作用，形成水合叠加效应，从而增加水合层的内聚强度，实现污染物的超低粘附，有效地提升了氧化石墨烯膜的抗污染性能。烯膜的抗污染性能。烯膜的抗污染性能。


技术研发人员：吴洪 姜忠义 杨焯 龙梦影 覃炳南 王宇涵
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25