一种亲水疏油氧化石墨烯膜的制备

技术领域

本发明属于膜制备领域。

背景技术

近几年来，油类污染导致的水环境问题日益频繁发生，造成了难以修复的生态破坏和巨大的经济损失。因此，油水分离不仅引起了广大学者的关注，也成为实际工程应用的研究热点。传统油水分离技术主要包括重力沉降、气浮分离和撇油池等，不仅分离效率低下，而且无法处理新兴的乳化液。而新型膜过滤技术由于其高效的分离效果及处理能力，被应用于油水分离领域。在采用膜过滤技术分离油水混合液的过程中，油类物质会受亲油性膜材料的吸附不断粘附、聚集于表面，同时，微小的油滴会钻入膜孔内部，堵塞孔隙。这两种污染极大降低了膜的渗透性能，严重影响了油水分离的效率。传统膜材料易于受到油类物质的污染，在实际工程应用中，膜通量损失严重，油污染较难清除，其在油水分离工程中的应用受到了极大限制。因此，新型膜材料的研制对于膜分离技术在含油废水处理中的应用至关重要。氧化石墨烯( GO) 纳米材料由于具有稳定的化学性质、高比表面积和良好的机械性能，被应用于各类材料的研究制备。通过层叠 GO 组装构建的石墨烯类膜材料被认为是最有前景的水处理膜。一方面，由于 GO 纳米片层的间隙具有极强的毛细吸附力和超低的摩擦阻力，因此，GO 膜具有相对良好的疏水能力。另一方面，GO 之间的纳米间隙起到分子筛的作用，有效拦截气体或液体状态的大分子透过。然而，高运行压力会很大程度压缩GO层间距，限制了其在实际工程中的应用。研究证明，扩展 GO 膜间距能有效改善GO薄膜的输水能力。在 GO 纳米间隙间穿插酸化的多壁碳纳米管，极大提升了 GO 薄膜的水通量。但是，研究结果显示多壁碳纳米管不能有效改善膜的抗污染性能。油水分离膜的制备需要更合适的材料和方法。

发明内容

本发明的目的是在 GO 纳米片层间插入 ZnO 纳米线，以重建内部和表面形貌结构。ZnO 纳米线具有良好的亲水性，是一种理想的功能复合型膜材料。

本发明的技术方案：

一种油水分离疏水膜的制备，（1）氧化石墨烯GO和ZnO纳米线在使用之前均在323K条件下干燥12h。（2）将20 g的GO粉末溶于50mL去离子水中，超声处理30min以形成均一的GO分散系。（3）将5-20 wt.%ZnO纳米线加入GO分散液后超声30min，使纳米线完全分散并形成均匀混合体系（4）以PVDF微滤膜为基底层，利用真空抽滤装置，将GO/ZnO纳米线混合液抽滤在膜面（5）抽滤后的膜片于313K真空干燥24h。

油水分离试验：

采用十六烷模拟油类污染物，将 0.2 g的十六烷加入 1 L 去离子水中再超声 1 h 制得稳定的分散的乳液，乳液含油浓度为 200 mg /L。用制备好的油水分离薄膜测定油水乳液的分离效果。滤液收集后进行 TOC 测定以表征其剩余含油量。在同一抽滤装置中，用膜片样品依次过滤 50 mL 去离子水、50 mL 含油乳液，然后将油污染膜片用去离子水充分冲洗后，再过滤 50 mL 去离子水。

有益效果

通过真空抽滤方法，成功在 PVDF 支撑层上制得 ZnO/GO 薄膜。掺杂的ZnO 纳米线穿插在 GO 纳米片层间，改变了GO薄膜的内部结构和表面性质，从而改善了膜性能。ZnO/GO薄膜表现出良好的渗透性能，具有高效的油水分离性能，出水含油量低于 5 mg /L，除油效率高达 99%。

具体实施方式

实施例1

（1）制备 GO和ZnO纳米线在使用之前均在323K条件下干燥12h。（2）将20 g的GO粉末溶于50mL去离子水中，超声处理30min以形成均一的GO分散系。（3）将5 wt.%ZnO纳米线加入GO分散液后超声30min，使纳米线完全分散并形成均匀混合体系（4）以PVDF微滤膜为基底层，利用真空抽滤装置，将GO/ZnO纳米线混合液抽滤在膜面（5）抽滤后的膜片于313K真空干燥24h。

ZnO/GO 薄膜表现出良好的渗透性能，在 70 kPa 压力下，纯水通量高达 2100 L/( m2·h)，具有高效的油水分离性能，出水含油量低于 5 mg /L，除油效率高达 99%；较强的抗油污染性能，在处理不同浓度的含油废水时，通量恢复率大于 80%。

实施例2

（1）制备 GO和ZnO纳米线在使用之前均在323K条件下干燥12h。（2）将20 g的GO粉末溶于50mL去离子水中，超声处理30min以形成均一的GO分散系。（3）将20 wt.%ZnO纳米线加入GO分散液后超声30min，使纳米线完全分散并形成均匀混合体系（4）以PVDF微滤膜为基底层，利用真空抽滤装置，将GO/ZnO纳米线混合液抽滤在膜面（5）抽滤后的膜片于313K真空干燥24h。

ZnO/GO 薄膜表现出良好的渗透性能，在 70 kPa 压力下，纯水通量高达2500 L /( m2·h)，具有高效的油水分离性能，出水含油量低于 5 mg /L，除油效率高达 99%；较强的抗油污染性能，在处理不同浓度的含油废水时，通量恢复率大于 80%。