用于稳定超快过滤的螺旋结构的三维多孔的基于氧化石墨烯的膜

发明领域

本公开涉及基于氧化石墨烯的膜，包括制造该膜的方法以及将该膜用于水处理和纯化中的方法。

膜通过基于它们的几何尺寸排除某些物质并依靠膜中的纳米孔或纳米通道排斥该物质而起作用。减小纳米孔或纳米通道的尺寸可以改进膜排斥某些物质的能力，但也会对穿过膜的渗透产生负面影响。这些负面影响会导致膜结垢并增加能耗。对于工业应用，膜应该既提供对不合需要的物质的高排斥率，又提供大的水通量，并结合低能耗和良好的稳定性。

在本发明的一个实施方案中，一种制造基于氧化石墨烯(GO)的膜的方法，包括：(1)在水漩涡中产生弯曲的氧化石墨烯(GO)层，并使用交联剂将GO层连接在一起以形成通过通道彼此连接的囊状GO单元；(2)提供所述囊状GO单元的堆叠排列以形成基于GO的膜。

在另一个实施方案中，一种通过使用基于GO的膜从流体流中分离化学物质的方法，包括：(1)在纯化工艺中调节过滤压力以从流体流中分离不同的化学物质；(2)反洗基于GO的膜，以保持基于GO的膜的使用寿命。

图1是制造通过壳聚糖交联的三维(3D)多孔的基于氧化石墨烯(GO)的膜(CcGO)的工艺的示意图。

图2A示出了CcGO块的SEM图像。图2B示出了CcGO块的外表面的SEM图像。图2C示出了CcGO块的垂直截面的SEM图像。图2D示出了CcGO块的内表面的SEM图像。

图3A示出了通过堆叠在600rpm的搅拌速度下制造的CcGO块而形成的CcGO膜的垂直截面的100μm比例的SEM图像。图3B示出了通过堆叠在600rpm的搅拌速度下制造的CcGO块而形成的CcGO膜的垂直截面的20μm比例的SEM图像。图3C示出了通过堆叠在1000rpm的搅拌速度下制造的CcGO块而形成的CcGO膜的垂直截面的100μm比例的SEM图像。图3D示出了通过堆叠在1000rpm的搅拌速度下制造的CcGO块而形成的CcGO膜的垂直截面的20μm比例的SEM图像。图3E示出了通过堆叠在1600rpm的搅拌速度下制造的CcGO块而形成的CcGO膜的垂直截面的100μm比例的SEM图像。图3F示出了通过堆叠在1600rpm的搅拌速度下制造的CcGO块而形成的CcGO膜的垂直截面的20μm比例的SEM图像。

图4是比较两种基于GO的材料在水螺旋中浸泡和改性之前和之后的增量孔隙体积的绘图。

图5是基于GO的片和壳聚糖交联的GO(CcGO)膜的傅立叶变换红外光谱(FTIR)的绘图。

图6是显示使用在不同压力条件下形成的不同CcGO膜并在不同过滤压力条件下一小时的时间的酸性媒染剂黑色染料的去除百分比的绘图。

图7是显示使用CcGO膜去除伊文思蓝(EB)染料和亚甲基蓝(MB)染料的百分比的绘图。

图8是显示用于去除EB染料的CcGO膜的反洗效率的绘图。

图9说明在使用水漩涡技术制造基于GO的膜的过程中GO的形态变化。

图10显示保留MB染料7天后的CcGO膜的共聚焦显微镜产生的三维图像。

提供以下的公开内容和示例性实施方案以使本领域普通技术人员能够制造和使用根据本发明的螺旋结构的三维多孔的石墨烯膜。对实施方案的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文的一般原理可以应用于其他实施方案。因此，与螺旋结构的多孔的石墨烯膜有关的装置和方法并不旨在限于所示的实施方案，而是应被赋予与本文所述的原理和特征一致的最宽的范围。

可以在水漩涡中添加交联剂制造弯曲、坚固并且具有通过微通道彼此连接的囊状GO单元/腔体的氧化石墨烯(GO)层。可以将堆叠排列的囊状的基于GO的单元排列以形成具有可控的单元尺寸的基于GO的膜。基于GO的膜可用作纳滤膜、生物滤膜、离子交换膜和脱盐膜，用于水处理、纯化以及药物或化学分离。

如本文所用，术语“膜”是指选择性可渗透的材料，其选择性地允许某些物质通过而同时将其他物质保留在该材料内或该材料上。保留的方式或机理取决于膜的结构。膜操作可以基于几何尺寸排除，并使用孔作为门(gate)来排斥尺寸大于膜的门尺寸的不需要的物质。膜操作还可以基于摩擦阻力，并使用通道表面通过物理摩擦和/或化学反应捕获特定物质。本发明的实施方案采用基于摩擦阻力的膜操作以选择性地允许或阻止某些物质通过膜。

如所使用的，术语“基于GO的膜”是指包含GO、基于GO的材料或GO复合材料的膜，或由GO、基于GO的材料或GO复合材料形成的膜。基于GO的材料是指GO的衍生物，但是经过化学修饰并且具有-COOH和/或-O-。GO复合材料是指由GO、聚合物和/或吸附在GO表面上的颗粒形成的复合材料。聚合物的实例包括但不限于聚(二甲基硅氧烷)、聚(丙烯酰基-6-氨基己酸)、丝心蛋白、聚苯胺、聚砜、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚酰胺、聚苯胺、聚(4-苯乙烯磺酸钠)、聚酰亚胺、聚丙烯酰胺、脱氧核糖核酸，其混合物及其共聚物。颗粒的实例包括碳纳米管、二氧化钛颗粒和/或银纳米颗粒。所述基于GO的片可具有至少一种彼此相互作用或结合的聚合物和颗粒。

在一个实施方案中，每个基于GO的层可以由堆叠的两个或多个二维的基于GO的片形成，每个片具有纳米孔/门。每个基于GO的层可以具有约10μm至约500μm(例如，约10μm至约20μm、约20μm至约50μm、约10μm至约100μm、约100μm至约150μm、约150μm至约160μm、约150μm至约200μm、约150μm至约500μm或约350μm至约500μm)范围内的横向尺寸。

可以通过搅拌容器中的水来形成“水漩涡”或“水涡旋”。有通过不同的搅拌条件产生不同的水漩涡形状。在制造基于GO的膜的过程中使用的水漩涡具有三个主要形状。第一形状是涡旋，其底部中心点的高度为容器中水的总高度的一半。第二形状是在容器中水表面的平面漩涡。第三形状是具有平面底部的涡旋，该平面底部的宽度是容器中水的宽度的一半。

在各种实施方案中，从第一形状到第三形状的所有水漩涡的形状都可以用于制造基于GO的膜。在特定的实施方案中，所使用的水漩涡形状是第一形状，然后是第二形状，其用于制造更均匀且坚固的膜。

基于GO的层的结构可以随着水漩涡的流动而弯曲。水漩涡的形状决定了基于GO的层的曲率程度，这导致了不同的整体结构。在一些实施方案中，基于GO的层可以首先在溶液中堆叠在一起，然后通过水漩涡弯曲在一起。基于GO的层相对于水的浓度可以在6g/L至14g/L的范围内。

堆叠的基于GO的层可以交联形成水漩涡中的囊状单元。交联剂可以是例如壳聚糖、乙二胺、赖氨酸、二亚乙基三胺，柠檬酸或具有两个或更多个-NH

交联剂可以使不同的弯曲的基于GO的层的边缘交联以形成在本文中描述为囊状单元的连通的腔体。可以通过限制溶液的搅拌速度来控制囊状单元的生长。在一个实施方案中，搅拌速度可以在400rpm至1600rpm的范围内。可以在6分钟至6000分钟的时间范围内以及在40℃至99℃的温度范围内搅拌溶液。这导致具有可控制的尺寸的基于GO的膜。例如，通过控制条件，基于GO的层可以大于10μm，并且形成的通道可以大于0.3μm。

包含连通的囊状单元的基于GO的块可以堆叠在支撑基底上以形成基于GO的膜。支撑基底可以包括网、纤维、泡沫或海绵，其具有小于基于GO的块的尺寸，但大于基于GO的块的通道尺寸的微米尺寸的孔。可以过滤基于GO的块的溶液，然后通过施加合适的形成压力将其放置在支撑基底上以形成膜。

膜的形成压力可用于控制基于GO的单元的尺寸和形状。通过增加形成压力，基于GO的单元的尺寸逐渐减小。可控的单元尺寸的这一特征可用于制造选择性去除某些化学物质的基于GO的膜。

在一些实施方案中，为了便于反洗操作，在由它们各自的支撑基底固定膜的两侧之后，可以通过疏水性粘合剂进一步密封膜的边缘。

在各种实施方案中，膜的形状取决于膜的厚度和支撑基底的形状。因此，基于GO的膜可以是例如中空纤维膜、平板膜、螺旋卷绕膜或管状膜。

通过使用基于GO的膜从流体流中分离化学物质的方法包括：调节过滤压力以从流体流分离不同的化学物质，同时还满足任何能耗要求。

在各种实施方案中，基于GO的膜被配置成排斥具有至少约0.5nm的水化半径的化学物质和重金属离子。可以将基于GO的膜直接用作纳滤膜、超滤膜、生物滤膜、离子交换膜和脱盐膜，以用于各种应用，例如水处理、纯化、药物和化学分离以及血液清洁。

例如，基于GO的膜可以增加染料的排斥率而不降低水通量。同样，基于GO的膜也适用于从流体流中的有机物选择性分离离子。作为进一步的实例，基于GO的膜适用于超滤以去除分子量大于10,000g/mol的化学物质或大于10nm的颗粒，同时保持超高水通量。该膜可以捕获微生物，并且适于生物过滤以生物地降解水中的化学物质。此外，可以对基于GO的膜进行改性，使其适用于离子交换和脱盐。

可以使用反洗程序来延长基于GO的膜的使用寿命。在各种实施方案中，可以通过使用具有或不具有再生剂的清水对基于GO的膜进行反洗以维持过滤性能。少量的过滤的流出物也适用于反洗基于GO的膜。再生剂可以是例如HCl、乙酸或乙醇。再生剂的浓度通常较低，范围为0.05％至5％(v/v)。在各种实施方案中，反洗压力可以大于过滤压力。例如，当过滤压力为5.0巴时，反洗压力可以为5.2巴。

在一些实施方案中，在反洗之后，具有化学物质的反洗浓缩液可以从第一个基于GO的膜上解吸。然后可以通过用碱处理浓缩液将反洗浓缩液的pH调节至7。处理过的反洗浓缩液可以通过第二个基于GO的膜进一步过滤。然后可以将处理过的反洗浓缩液与第一个基于GO的膜的流入液混合，然后进一步过滤以实现零排放。在某些实施方案中，用尽的基于GO的膜可以在有或没有其他再生剂的帮助下由酸再生，或者可以通过加热而碳化以用于其他应用，例如吸附和凝结。

某些实施方案提供了通过使用基于GO的膜从流体流分离有机物和无机物的方法。该方法包括：1)调节过滤压力以从流体流分离出不同的化学物质，以及2)反洗基于GO的膜，以延长使用寿命和/或实现任何反洗浓缩液的零排放。

在一个实施方案中，基于GO的膜被配置为排斥具有至少0.4nm的水化半径的有机物和无机物。

在一个实施方案中，基于GO的膜可以获得具有15μm的平均孔径和2cm的厚度的多孔结构。假设能量输入均匀，该基于GO的膜显示比传统的逐层GO薄膜大15倍的渗透率，并且可以去除比传统的逐层GO薄膜多12％的媒染剂黑T染料。

可以通过在水漩涡中物理弯曲和化学交联基于GO的层来制造三维多孔的基于GO的膜。这可能涉及(a)选择带有两个或多个伯胺基的合适的交联剂，例如壳聚糖、赖氨酸、乙二胺和二亚乙基三胺；(b)强化基于GO的层，以避免在石墨氧化工艺中内部纳米孔的负面影响；(c)压合不同的基于GO的层的边缘以形成腔/单元；(d)控制GO的羧酸和环氧基与交联剂的伯胺基之间的反应速率。

通过选择合适的交联剂，强化基于GO的层，压合不同的基于GO的层的边缘，并控制反应速率；可以调节腔/单元的尺寸以满足不同的过滤工艺的要求。在一个实施方案中，腔/单元的尺寸在10nm至400μm的范围内。为了获得所需的腔/单元的尺寸，制造因素可以包括水漩涡的形状，基于GO的片与交联剂的质量比，温度和形成压力。另外，在过滤过程中应优化过滤压力。

通过以说明的方式给出的以下实施例可以对本发明及其许多优点有更好的理解。以下实施例说明了本发明的一些方法、应用、实施方案和变体。当然，它们不应被认为是对本发明的限制。可以相对于本发明进行许多改变和修改。

作为进一步的实例，本文公开的膜适用于基于尺寸、电荷性质和/或亲水性进行离子和有机物的选择性分离，不同离子的选择性分离，病毒和血红细胞的选择性分离。

实施例1-A：壳聚糖交联的GO(CcGO)块的制造

通过改良的Hummers方法制备长度、宽度和厚度分别为200μm、150μm和5μm的基于GO的片，并通过超声处理将所述基于GO的片分散在去离子水中以制成浓度为9.0g/L的基于GO的片的溶液。然后，将该基于GO的片的溶液在60℃下以1000rpm的速度搅拌以形成水漩涡，这导致片弯曲。然后，以10ml/h的速率添加等体积的具有乙酸(2％v/v)的壳聚糖(1.8g/L)溶液以交联基于GO的片以形成CcGO块。然后用去离子水洗涤CcGO块。

实施例1-B：壳聚糖交联的GO膜的制造

在0.2MPa的形成压力下，将CcGO块放置在具有200μm尺寸的孔的海绵膜上。然后，将具有200μm尺寸的孔的第二海绵膜放置在CcGO块的相对侧。最后，通过定制设备将CcGO膜密封，并用去离子水洗涤以形成新的CcGO过滤器(说明多孔的CcGO膜的制造工艺的示意图如图1所示)。

实施例1-C：壳聚糖交联的GO膜的表征

通过使用SEM、BET和FTIR技术研究了CcGO膜的理化性质。图2A-2D分别示出了整个CcGO块、CcGO块的外表面、垂直截面和内表面的SEM图像。该CcGO块具有多孔结构，该多孔结构具有尺寸为约70μm的孔和有褶的内表面和外表面。将CcGO块放置在支撑层上以形成具有均匀的腔/单元的CcGO膜。在某些实施方案中，搅拌速度应保持在1500rpm以下，以避免由于水漩涡的湍流引起的混乱的多孔结构。如图5的FTIR结果所示，使用壳聚糖后，在985nm和1260nm处的C-O-C峰和在1720nm处的C＝O峰消失，而在1517nm、1533nm和1559nm处有三个酰胺基小峰，表明基于GO的片被壳聚糖交联。

实施例1-D：去除染料的实验结果

为了证明CcGO膜的过滤性能，研究了在膜的不同过滤速度水平和不同形成压力水平下酸性媒染剂黑色染料的去除速率。CcGo膜用于过滤浓度为1g/L的分子量为461的酸性媒染剂黑色染料。CcGO膜的质量为0.2g，直径为1.8cm，厚度为1cm。如图6所示，揭示了两个总体趋势：(1)最大过滤速度随着CcGO膜形成压力的增加而降低；(2)去除率随着过滤速度的降低而增加。可以调节形成压力和过滤速度以适合不同的应用。例如，在0.16MPa下形成的CcGO膜并以7m/h的过滤速度运行可以去除96％的酸性媒染剂黑色染料至少一小时。

实施例1-E：选择性去除染料的实验结果

为了证明CcGO膜的选择性过滤性能，使用CcGO膜过滤进行了25天的比较，比较了两种不同染料伊文思蓝(EB)和亚甲基蓝(MB)的去除情况。以0.18MPa的形成压力制造CcGO膜。两种染料以0.15m/h的过滤速度通过CcGO膜。如图7所示，三天后，CcGO膜仅去除了EB染料，并使MB染料通过该膜。

实施例1-F：反洗效率的实验结果

研究了用于EB染料去除的五个周期的CcGO膜的反洗效率，每个周期为20天。每20天的周期后，将CcGO膜用0.2％(v/v)的HCl溶液反洗。如图8所示，经过5个周期反洗后，膜仍可以去除99.8％的EB染料。

实施例2-A：CcGO膜

使用0.8MPa的形成压力将实施例1-A中制造的CcGO块放置在具有200μm尺寸的孔的海绵膜上。然后，将具有200μm尺寸的孔的第二海绵膜放置在CcGO块的相对侧。最后，通过定制设备将CcGO膜密封，并用去离子水洗涤。

实施例2-B：有机物和无机物的选择性分离的实验结果

进行实验以证明通过膜选择性分离有机物和无机物。如表1所示，CcGO膜可有效去除有机物，包括低分子量(MW)的有机物。膜的质量为0.3g，直径为1.8cm，厚度为2cm。以0.15m/h的透过量(permeance)去除了99％的有机物。同样，CcGO膜允许无机离子，包括Na

表1.CcGO膜的性能

实施例3：用于选择性分离二价阳离子和单价阳离子的增强的壳聚糖交联的GO膜

如实施例2中制造的CcGO膜显示通过调节过滤压力来分离二价阳离子和单价阳离子。CcGO膜的质量为0.3g，直径为1.8cm，厚度为2cm。通过将过滤压力调节至0.21MPa，将CcGO膜的过滤速度设定为0.02m/h，CcGO膜捕获Mg

表2.CcGO膜的性能

实施例4-A：赖氨酸交联的GO块的制造

通过改良的Hummers法制备厚度为约50μm的GO片，并通过超声处理将所述GO片分散在去离子水中以制成浓度为6.0g/L的GO片溶液。然后，将GO片的溶液在60℃下以800rpm的速度在漩涡水中搅拌，这导致GO片弯曲。然后以20ml/h的速率添加等体积的具有乙酸(2％v/v)的赖氨酸(3.0g/L)溶液以交联GO片并形成赖氨酸交联的GO(LcGO)块。然后用去离子水洗涤LcGO块。

实施例4-B：LcGO膜的制造

在10MPa的形成压力下，将LcGO块放置在具有60μm尺寸的孔的海绵膜上，以形成LcGO膜。最后，用去离子水洗涤LcGO膜以形成LcGO过滤器。

实施例4-C：脱盐的实验结果

研究了LcGO膜去除Na

实施例5：涡旋制造技术

本发明的实施方案提供了用于制造三维多孔的基于GO的膜的涡旋(或水漩涡)工艺。交联剂可以是具有两个或更多个伯胺基的任何化学物质，例如壳聚糖、赖氨酸、乙二胺和二亚乙基三胺。可以强化GO片(例如，通过减少纳米孔的体积，如图4所示)，并且可以在制造工艺中压合不同的GO片的边缘以形成腔/单元。在图9中示出了该工艺。图9示出了基于GO的片经受水漩涡以形成弯曲且坚固的基于GO的片。如图9所示，基于GO的片的初始厚度小于5nm。然而，由于吸附，基于GO的片的厚度增加到约100nm。弯曲的GO片随后发生反应以形成囊状的基于GO的单元，如图9所示。

在该工艺中，可以控制GO的羧酸基和CS的伯胺基之间的反应速率。控制反应速率可以通过控制将材料添加到基于GO的片的溶液中的顺序来实现。可以将壳聚糖添加到基于GO的片的溶液中，同时保持GO/CS的高质量比。在一个实施方案中，GO/CS的质量比可在1至5的范围内。第二，应维持酸性环境以降低GO的羧酸基的反应活性。第三，使基于GO的片在水漩涡中弯曲以减少该弯曲的基于GO的片的中心的交联反应。

如图10的共聚焦显微镜图像所示，基于GO的可以利用整个多孔结构来捕获化学物质。可以使用BET测试来表征基于GO的膜并显示出小于20nm的孔急剧的体积减少(超过70％)，并且在交联后没有较大纳米孔的增加的体积，如图4所示。

应当理解，本文所描述的实施例和实施方案仅用于说明目的，并且将启发本领域的技术人员根据其进行各种修改或改变，并将所述修改或改变包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求书的范围之内。另外，本文公开的任何发明或其实施方案的任何要素或限制可以与本文公开的任何和/或所有其它要素或限制(单独地或以任何组合)或任何其他发明或其实施方案相结合，并且所有这样的组合都预期在本发明的范围之内，而不限于此。

参考文献

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