CN109772183B - 一种阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阴离子化合物插层g‑C3N4复合膜的制备方法及其应用,首先通过热聚合方法得到体相g‑C3N4;再经过物理剥离得到g‑C3N4纳米片分散液;最后将阴离子化合物和g‑C3N4纳米片分散液混合沉积在多孔基底膜上,即得到阴离子化合物插层g‑C3N4复合膜。与现有的技术相比,本发明制备的阴离子化合物插层g‑C3N4复合膜有更高的水通量以及更优异的选择性。
Description
技术领域
本发明涉及二维膜的制备方法,具体涉及一种阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法及其应用。
背景技术
随着经济的快速发展,环境污染和资源短缺问题日益凸出。各种工业污水以及生活污水的胡乱排放,给原本就资源短缺的国家增加了更沉重的负担。膜分离技术由于其简单的工艺处理及低能耗等优点而被广泛用于废水处理。近几年来,氧化石墨烯、过渡金属二硫化物、共价有机化合物、金属有机化合物、层状双氢氧化物等二维材料由于其拥有单原子厚度,孔或无孔结构,稳定的化学性质以及热稳定性等优点而成为二维膜制备的基材。但是现有二维膜仍有不足之处,例如氧化石墨烯二维膜,制备方法繁琐,且在水中易于溶胀。
《膜科学与技术杂志》(Journal of Membrane Science,2015,490,72-83)报道了一种将g-C3N4纳米片掺入聚合物基质中,制备高选择性杂化膜。通过将一定量的g-C3N4纳米片粉末分散到水中并超声处理,然后将海藻酸钠(SA)溶解在上述分散体中30℃搅拌5h。将膜液旋涂到基底膜聚丙烯腈(PAN)上,然后在0.5mol/LCaCl 2水溶液浸没10min使其与膜交联,并用水冲洗除去未交联的CaCl2。制备的杂化膜虽然通量和选择性较纯的SA膜有一定的提升,但是工艺复杂,膜可控性差,不利于大量生产。
中国专利CN105214512公布了一种载体表面氧化石墨烯膜的制备方法,该方法首先在载体表面引入氨基活性基团,然后将氧化石墨烯均匀负载到载体表面得到氧化石墨烯膜。该制备方法虽然增强了载体与氧化石墨烯膜之间的作用力,提高了对染料分子的截留率,但是也增加了跨膜阻力,导致通量只有5L·h-1·m-2·bar-1,且工艺复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足,旨在提供一种阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法及其应用。本发明复合膜具有更高的水通量以及更优异的选择性。
本发明阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法,首先通过热聚合方法得到体相 g-C3N4;再经过物理剥离得到g-C3N4纳米片分散液;最后将阴离子化合物和g-C3N4纳米片分散液混合沉积在多孔基底膜上,即得到阴离子化合物插层g-C3N4复合膜。
本发明阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法,具体包括如下步骤:
步骤1:称取1-5g的三聚氰胺或尿素置于研钵中研磨10-20min,随后置于马弗炉中于 500-600℃下煅烧8-12h,获得体相g-C3N4;
步骤2:将步骤1得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配制成g-C3N4悬浮液,加热超声,然后于8000rpm下离心20min,离心三次留取上清液,得到稳定分散的g-C3N4纳米片分散液;
步骤3:步骤2获得的g-C3N4纳米片分散液和阴离子化合物溶液混合,加热超声10-20min 使其混合均匀,通过纳米片组装技术将预处理后的多孔基底膜负载混合膜液,即得阴离子化合物插层g-C3N4复合膜,烘干去除多余溶剂。
步骤2中,g-C3N4悬浮液的浓度为3-6mg/mL;加热超声的温度为80-120℃,超声时间为10-18h。
步骤3中,所述阴离子化合物溶液为磺化聚苯醚(SPPO)溶液、伊文斯蓝(EB)溶液或甲基蓝(MB)溶液,所述阴离子化合物溶液的浓度为1mg/mL。
步骤3中,g-C3N4纳米片分散液和阴离子化合物溶液的质量比为1:0.5-1:10。
步骤3中,所述多孔基底膜包括聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚碳酸酯膜、阳极氧化铝膜、聚丙烯腈膜等中的一种,且多孔载体的孔径为100-450nm。多孔基底膜的预处理是指将多孔基底膜置于去离子水中浸泡1-3天,获得预处理后的多孔基底膜。
步骤3中,所述纳米片组装技术包括真空抽滤、层层自组装、静电纺丝、旋涂等。
步骤3中,所述烘干是于40-80℃干燥8-15h。
本发明制备的阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的厚度为200nm-1μm。
阴离子化合物中,磺化聚苯醚(SPPO)的结构式如下:
阴离子化合物中,伊文斯蓝(EB)的结构式如下:
阴离子化合物中,甲基蓝(MB)的结构式如下:
本发明制备的阴离子化合物插层g-C3N4复合膜在纳滤中的应用,是将本发明复合膜固定于纳滤装置上,用于截留尺寸和带电荷不同的纳米粒子。
所述纳米粒子包括亚甲基蓝、甲基蓝、罗丹明B、伊文斯蓝、甲基橙、刚果红等。
本发明的原理为:g-C3N4是一种类似于石墨烯的结构,但是在水环境中g-C3N4膜的层间距能够保持不变,且g-C3N4天然的三角纳米孔结构和结构缺陷使得其比氧化石墨烯多了一条分子运输途径。尽管如此,由于层间距和孔径尺寸都只有0.3nm左右,导致水通量不高。本发明通过在g-C3N4纳米片间插层不同尺寸的阴离子化合物来增大膜的层间距以达到提高水通量的目的,同时又能保持高的截留率。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
1、本发明采用阴离子化合物(SPPO,EB,MB)与二维g-C3N4纳米片均相组装的方法,制备了一种新型多孔的阴离子化合物插层g-C3N4复合膜材料。与《膜科学与技术杂志》(Journal of Membrane Science,2015,490,72-83)报道的SA/g-C3N4复合膜制备方法相比,原料便宜,工艺简单,反应条件易控,易于大规模生产。
2、与中国专利CN105214512公布的一种载体表面氧化石墨烯膜的制备方法相比阴离子化合物插层g-C3N4复合膜工艺简单,化学性质及机械性能稳定,由于其稳定的层间结构,在纳滤应用中水通量可以增加500倍,同时截留率还能保持90%左右的数值。
附图说明
图1是实施例1g-C3N4二维纳米片的原子力显微镜(AFM)图。
图2是实施例2SPPO/g-C3N4复合膜表面的扫描电镜(SEM)图。
图3是实施例2SPPO/g-C3N4复合膜断面的扫描电镜(SEM)图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述,但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
实施例1:
1、称取1g的三聚氰胺放在研钵中研磨10min,置于马弗炉中500℃煅烧,煅烧时间为 8h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成3mg/mL g-C3N4悬浮液,进行80℃加热超声 10h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.08mg/mL。
3、将阴离子化合物磺化聚苯醚(SPPO)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和SPPO溶液按质量比1:1混合,加热超声10min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡1天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得SPPO/g-C3N4复合膜。40℃烘干8h去除多余溶剂。
本实施例步骤2中所获得的g-C3N4纳米片进行原子力显微镜(AFM)的测试,如图1所示,从图中可以看出纳米片的厚度约1nm,尺寸约1.5μm,表明具有单原子厚度。
5、本实施例的SPPO/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的SPPO/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为15μmol/L带正电的MLB(亚甲基蓝)水溶液,其水通量3245L·h-1·m-2·bar-1,对亚甲基蓝的截留率为100%;浓度为50μmol/L带负电的MB(甲基蓝)水溶液,其水通量2783L·h-1·m-2·bar-1,对甲基蓝的截留率为100%。
实施例2:
1、称取1g的三聚氰胺放在研钵中研磨10min,置于马弗炉中510℃煅烧,煅烧时间为 9h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成3mg/mL g-C3N4悬浮液,进行80℃加热超声 10h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.08mg/mL。
3、将阴离子化合物磺化聚苯醚(SPPO)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和SPPO溶液按质量比1:1混合,加热超声15min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡1天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得SPPO/g-C3N4复合膜。40℃烘干8h去除多余溶剂。
本实施例步骤4所获得的SPPO/g-C3N4复合膜进行扫描电镜(SEM)的测试,复合膜的表面和断面如图2、图3所示,从图中可以看出,膜表面比较光滑且没有缺陷,膜的厚度约250nm。
5、本实施例的SPPO/g-C3N4在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的SPPO/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为10μmol/L带正电的RB(罗丹明B)水溶液,其水通量1638 L·h-1·m-2·bar-1,罗丹明B的截留率为94.9%。
实施例3:
1、称取2g的三聚氰胺放在研钵中研磨15min,置于马弗炉中510℃煅烧,煅烧时间为 9h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成4mg/mL g-C3N4悬浮液,进行90℃加热超声 12h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.10mg/mL。
3、将阴离子化合物磺化聚苯醚(SPPO)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和SPPO溶液按质量比1:5混合,加热超声15min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡2天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得SPPO/g-C3N4复合膜。60℃烘干10h去除多余溶剂。
5、本实施例的SPPO/g-C3N4在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的SPPO/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为15μmol/L带正电的MLB(亚甲基蓝)水溶液,其水通量2481L·h-1·m-2·bar-1,对亚甲基蓝的截留率为98.9%;浓度为50μmol/L带负电的MB(甲基蓝)水溶液,其水通量2791L·h-1·m-2·bar-1,对甲基蓝的截留率为100%。
实施例4:
1、称取3g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中530℃煅烧,煅烧时间为 9h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行100℃加热超声14h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.25mg/mL。
3、将阴离子化合物磺化聚苯醚(SPPO)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和SPPO溶液按质量比1:10混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得SPPO/g-C3N4复合膜。80℃烘干10h去除多余溶剂。
5、本实施例的SPPO/g-C3N4在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的SPPO/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为15μmol/L带正电的MLB(亚甲基蓝)水溶液,其水通量1701L·h-1·m-2·bar-1,对亚甲基蓝的截留率为95.5%;浓度为10μmol/L带负电的EB(伊文斯蓝)水溶液,其水通量716L·h-1·m-2·bar-1,伊文斯蓝的截留率为100%。
实施例5:
1、称取5g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中550℃煅烧,煅烧时间为 10h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行90℃加热超声 12h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.15mg/mL。
3、将阴离子化合物伊文斯蓝(EB)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和EB溶液按质量比1:0.5混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得EB/g-C3N4复合膜。60℃烘干12h去除多余溶剂。
5、本实施例的EB/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的EB/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为10μmol/L带正电的RB(罗丹明B)水溶液,其水通量1081L·h-1·m-2·bar-1,罗丹明B的截留率为91.5%;浓度为50μmol/L带负电的MB(甲基蓝)水溶液,其水通量1670L·h-1·m-2·bar-1,甲基蓝的截留率为88.0%。
实施例6:
1、称取5g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中550℃煅烧,煅烧时间为 11h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行100℃加热超声18h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.40mg/mL。
3、将阴离子化合物伊文斯蓝(EB)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和EB溶液按质量比1:1混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得EB/g-C3N4复合膜。60℃烘干12h去除多余溶剂。
5、本实施例的EB/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的EB/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为50μmol/L带负电的MB(甲基蓝)水溶液,其水通量1908L·h-1·m-2·bar-1,甲基蓝的截留率为91.2%;浓度为15μmol/L带正电的MLB(亚甲基蓝)水溶液,其水通量1988L·h-1·m-2·bar-1,对亚甲基蓝的截留率为98%。
实施例7:
1、称取5g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中550℃煅烧,煅烧时间为 12h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行100℃加热超声18h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.40mg/mL。
3、将阴离子化合物伊文斯蓝(EB)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和EB溶液按质量比1:5混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得EB/g-C3N4复合膜。60℃烘干12h去除多余溶剂。
5、本实施例的EB/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的EB/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为50μmol/L带负电的MB(甲基蓝)水溶液,其水通量2767L·h-1·m-2·bar-1,甲基蓝的截留率为100%;浓度为15μmol/L带正电的MLB(亚甲基蓝)水溶液,其水通量1463L·h-1·m-2·bar-1,对亚甲基蓝的截留率为99.0%。
实施例8:
1、称取5g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中550℃煅烧,煅烧时间为 10h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行100℃加热超声18h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.40mg/mL。
3、将阴离子化合物甲基蓝(MB)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和MB溶液按质量比1:0.5混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得MB/g-C3N4复合膜。60℃烘干12h去除多余溶剂。
5、本实施例的MB/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的MB/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为10μmol/L带负电的EB(伊文斯蓝)水溶液,其水通量2545L·h-1·m-2·bar-1,伊文斯蓝的截留率为98.0%;浓度为15μmol/L带正电的MLB(亚甲基蓝)水溶液,其水通量1280L·h-1·m-2·bar-1,对亚甲基蓝的截留率为98.0%。
实施例9:
1、称取5g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中550℃煅烧,煅烧时间为 10h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行100℃加热超声18h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.40mg/mL。
3、将阴离子化合物甲基蓝(MB)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和MB溶液按质量比1:1混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得MB/g-C3N4复合膜。60℃烘干12h去除多余溶剂。
5、本实施例的MB/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的MB/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为10μmol/L带负电的EB(伊文斯蓝)水溶液,其水通量2226L·h-1·m-2·bar-1,伊文斯蓝的截留率为98.1%;浓度为50μmol/L带负电的MB(甲基蓝)水溶液,其水通量1757L·h-1·m-2·bar-1,甲基蓝的截留率为100%。
实施例10:
1、称取5g的三聚氰胺放在研钵中研磨20min,置于马弗炉中550℃煅烧,煅烧时间为 10h,获得体相g-C3N4。
2、将得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配成6mg/mL g-C3N4悬浮液,进行100℃加热超声18h,再8000rpm,离心20min,离心三次取上清液,得到稳定分散g-C3N4纳米片分散液。用紫外-可见分光光度计测得纳米片的浓度为0.40mg/mL。
3、将阴离子化合物甲基蓝(MB)配成浓度为1mg/mL。
4、将g-C3N4纳米片分散液和MB溶液按质量比1:5混合,加热超声20min使其混合均匀,通过真空抽滤方法将用去离子水浸泡3天的孔径为0.22μm的聚偏氟乙烯(PVDF)基底膜负载混合膜液,即得MB/g-C3N4复合膜。60℃烘干12h去除多余溶剂。
5、本实施例的MB/g-C3N4复合膜在纳滤中的应用:将上述负载于PVDF的MB/g-C3N4复合膜固定于过滤装置中,浓度为10μmol/L带负电的EB(伊文斯蓝)水溶液,其水通量1828L·h-1·m-2·bar-1,伊文斯蓝的截留率为98.5%;浓度为10μmol/L带正电的RB(罗丹明B)水溶液,其水通量1312L·h-1·m-2·bar-1,罗丹明B的截留率为88.0%。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制,凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形,均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的制备方法,其特征在于:
首先通过热聚合方法得到体相g-C3N4;再经过物理剥离得到g-C3N4纳米片分散液;最后将阴离子化合物和g-C3N4纳米片分散液混合沉积在多孔基底膜上,即得到阴离子化合物插层g-C3N4复合膜;包括如下步骤:
步骤1:称取1-5 g的三聚氰胺或尿素置于研钵中研磨10-20 min,随后置于马弗炉中于500-600℃下煅烧8-12 h,获得体相g-C3N4;
步骤2:将步骤1得到的体相g-C3N4研磨成粉末,配制成g-C3N4悬浮液,加热超声,然后于8000 rpm下离心20 min,离心三次留取上清液,得到稳定分散的g-C3N4纳米片分散液;
步骤3:步骤2获得的g-C3N4纳米片分散液和阴离子化合物溶液混合,加热超声10-20min使其混合均匀,通过纳米片组装技术将预处理后的多孔基底膜负载混合膜液,即得阴离子化合物插层g-C3N4复合膜,烘干去除多余溶剂;
步骤3中,所述阴离子化合物溶液为磺化聚苯醚溶液、伊文斯蓝溶液或甲基蓝溶液;所述阴离子化合物溶液的浓度为1 mg/mL;g-C3N4纳米片分散液和阴离子化合物溶液的质量比为1:0.5-1:10。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:
步骤2中,g-C3N4悬浮液的浓度为3-6 mg/mL;加热超声的温度为80-120℃,超声时间为10-18 h。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:
步骤3中,所述多孔基底膜包括聚醚砜膜、聚偏氟乙烯膜、聚碳酸酯膜、阳极氧化铝膜、聚丙烯腈膜中的一种,且多孔载体的孔径为100-450nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:
步骤3中,所述烘干是于40-80℃干燥8-15 h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:
制备的阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的厚度为200 nm-1 µm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法制备的阴离子化合物插层g-C3N4复合膜的应用,其特征在于:将所述复合膜固定于纳滤装置上,用于截留尺寸和带电荷不同的纳米粒子;所述纳米粒子包括亚甲基蓝、甲基蓝、罗丹明B、伊文斯蓝、甲基橙、刚果红。
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