本發(fā)明涉及層狀膜制備，特別是涉及一種氧化石墨烯層狀膜及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鈧及其化合物，憑借其在航空航天、交通運(yùn)輸、核能產(chǎn)業(yè)、燃料電池以及作為高效催化劑等領(lǐng)域展現(xiàn)的卓越物理和化學(xué)性質(zhì)，成為了科技發(fā)展中不可或缺的元素。這些高端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅苡兄鴺O高的要求，鈧的引入能極大提升材料的耐溫、耐腐蝕能力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，推動(dòng)技術(shù)革新。鈧的獨(dú)特作用還體現(xiàn)在環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)換效率提升上，展示了其廣闊的應(yīng)用潛力。這些領(lǐng)域的快速發(fā)展推動(dòng)了對(duì)sc(iii)需求量的持續(xù)增長(zhǎng)。然而，目前提取鈧的過(guò)程面臨技術(shù)上的挑戰(zhàn)和復(fù)雜性，這不僅使得鈧的提取成本居高不下，也導(dǎo)致市場(chǎng)供不應(yīng)求的狀況。雖然溶劑萃取技術(shù)以其較高的生產(chǎn)效率、分離性能優(yōu)異和傳質(zhì)速率快等特性而受到廣泛認(rèn)可，但其對(duì)環(huán)境的不利影響不可忽視。

2、thapa等人通過(guò)將雙磷酸鹽進(jìn)行功能化，接枝在熱碳化介孔硅表面，制備了一種新型雜化吸附劑bp-tcpsi。該材料對(duì)sc(iii)分離系數(shù)為13，三倍于商用離子交換樹(shù)脂dowex50wx8，表現(xiàn)出顯著的選擇性。此外，bp-tcpsi具有高穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)吸脫附實(shí)驗(yàn)仍有較好性能；zhong等人采用真空浸漬法合成了一系列具有不同功能萃取劑和載體的吸附劑，其中三烷基氧化膦硅基改性的trpo/sio2-p表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇吸附性，且在吸附柱實(shí)驗(yàn)中，對(duì)sc(iii)的吸附效率達(dá)99.3％，并通過(guò)表征和dft分析表明p＝o基團(tuán)對(duì)選擇性分離至關(guān)重要。這些研究者為吸附材料的研究提供了一定的參考和理論依據(jù)，但是仍存在材料制備困難、工藝復(fù)雜、成功率低和成本高昂等問(wèn)題，制約了吸附法在工業(yè)中的應(yīng)用。

3、在吸附領(lǐng)域中，膜吸附劑是一種很有前途的固相技術(shù)。膜吸附劑由微孔基底組成，基底上涂有一層微米甚至納米尺度的分離層，該層含有分子或離子的結(jié)合位點(diǎn)。通過(guò)改變膜的化學(xué)性質(zhì)可以調(diào)整膜吸附劑的選擇性。因此，膜吸附劑材料就可以替代傳統(tǒng)的離子交換樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)納濾膜的高通量和離子交換樹(shù)脂的選擇性。

4、膜吸附分離由于其工藝結(jié)構(gòu)具有無(wú)需相變、低能耗、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便、分離效率高和操作條件溫和等優(yōu)勢(shì)，成為水處理體系的理想選擇。然而，在亞納米尺度上實(shí)現(xiàn)稀土離子選擇性分離一直是傳統(tǒng)膜分離技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)，層狀膜的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一不足，為混合體系中單一種類(lèi)離子的選擇性分離提供了良好的思路。但現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多現(xiàn)實(shí)技術(shù)問(wèn)題，包括吸附劑選擇和制備難度高、吸附容量和速率受限、再生和壽命問(wèn)題、選擇性吸附困難、操作和維護(hù)成本高、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性挑戰(zhàn)以及應(yīng)用領(lǐng)域的特定問(wèn)題。這些問(wèn)題共同影響了吸附技術(shù)的效率、成本和可持續(xù)發(fā)展，需要通過(guò)材料優(yōu)化、再生技術(shù)改進(jìn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)性提升等多方面的努力來(lái)解決。

5、因此，亟需開(kāi)發(fā)一種具有高效性能和高穩(wěn)定性的氧化石墨烯層狀膜及其制備方法與應(yīng)用來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題，提供一種氧化石墨烯層狀膜及其制備方法與應(yīng)用。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是按照以下技術(shù)方案實(shí)施的：

3、一種氧化石墨烯層狀膜的制備方法，包括以下步驟：

4、s1，將go納米片在水中均勻分散后加入丙二胺，得到go懸浮液；

5、s2，go懸浮液經(jīng)過(guò)加熱后再冷卻，加入氫氧化鈉和氨基酸后攪拌，隨后固液分離得到沉淀，將沉淀清洗后得到改性納米片；

6、s3，將改性納米片通過(guò)真空抽濾法制得氧化石墨烯層狀膜。

7、具體的，包括以下步驟：

8、s1，將go納米片于水中進(jìn)行超聲處理使其均勻分散，加入丙二胺混合后得到go懸浮液；

9、s2，將go懸浮液加熱，冷卻后再加入少量氫氧化鈉和磷酸絲氨酸室溫?cái)嚢?，將所得沉淀離心分離并洗滌干燥，得到改性納米片；

10、s3，最后取適量改性納米片通過(guò)真空抽濾法制得氧化石墨烯層狀膜。

11、優(yōu)選的，所述步驟s1中，go懸浮液中g(shù)o納米片的濃度為0.4g?l-1。

12、具體的，go懸浮液指的是go納米片、水、丙二胺的混合溶液；由于丙二胺添加的量較少，此處go懸浮液的濃度的計(jì)算過(guò)程中并未計(jì)算丙二胺的體積。

13、優(yōu)選的，所述步驟s1中，go懸浮液與丙二胺的比為50∶0.1，其比較的單位為ml∶mol。

14、優(yōu)選的，所述步驟s2中，go懸浮液的加熱溫度為60-100℃，加熱時(shí)間為1-3h。

15、優(yōu)選的，所述步驟s2中，go懸浮液、氫氧化鈉、氨基酸的比為50∶0.0015∶0.1，其比較的單位為ml∶mol∶mol；攪拌時(shí)間為24h。

16、具體的，由于丙二胺添加的量較少，上述涉及到go懸浮液的體積的相關(guān)數(shù)據(jù)均未計(jì)算丙二胺的體積。

17、優(yōu)選的，所述步驟s2中，氨基酸為賴(lài)氨酸、谷氨酸、磷酸絲氨酸中的一種。

18、優(yōu)選的，所述步驟s3中改性納米片以其水溶液的形式進(jìn)行抽濾；所述改性納米片的水溶液的濃度為0.4g?l-1。

19、優(yōu)選的，所述步驟s3中，真空抽濾的壓力為-0.1mpa，時(shí)間為12h。

20、優(yōu)選的，所述步驟s3中，得到的氧化石墨烯層狀膜的厚度為1μm。

21、本發(fā)明還包括由上述方法制備得到的氧化石墨烯層狀膜。

22、一種氧化石墨烯層狀膜的應(yīng)用，所述氧化石墨烯層狀膜用于吸附稀土金屬鈧。

23、優(yōu)選的，所述氧化石墨烯層狀膜作為吸附劑，對(duì)液體中的鈧離子進(jìn)行選擇性吸附；

24、吸附的方式為動(dòng)態(tài)吸附：將改性氧化石墨烯層狀膜置于膜池中，通過(guò)壓力驅(qū)動(dòng)的方式用氧化石墨烯層狀膜吸附液體中的鈧離子。

25、具體的，包括以下步驟：

26、所述的氧化石墨烯層狀膜作為吸附劑，對(duì)水中鈧離子進(jìn)行選擇性吸附；

27、吸附的方式為動(dòng)態(tài)吸附：將氧化石墨烯層狀膜置于膜池中，將一定濃度的含鈧離子的水溶液調(diào)節(jié)ph至5，通過(guò)死端裝置壓力驅(qū)動(dòng)的方式用層狀膜吸附水中的鈧離子。具體的，上述一定濃度的含鈧離子的水溶液中，鈧離子的濃度為10ppm。氧化石墨烯層狀膜也可直接放入含鈧離子的水溶液中，直接進(jìn)行吸附。

28、作用原理：

29、本發(fā)明將改性氧化石墨烯層狀膜置于膜池中，配制一定濃度的含鈧離子的水溶液并調(diào)節(jié)ph至5，通過(guò)死端裝置壓力驅(qū)動(dòng)的方式用層狀膜吸附水中的鈧離子。本發(fā)明改性氧化石墨烯層狀膜的制備方法為：將go納米片于水中進(jìn)行超聲處理使其均勻分散，加入丙二胺混合后將懸浮液加熱，冷卻后再加入少量氫氧化鈉和磷酸絲氨酸室溫?cái)嚢?，將所得沉淀離心分離并洗滌，最后取適量改性納米片通過(guò)真空抽濾法制得層狀膜。

30、go作為一種重要的石墨烯衍生物，其本質(zhì)是單層氧化石墨，引入了大量的含氧官能團(tuán)，可以作為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)位點(diǎn)，也可作為金屬離子的吸附位點(diǎn)。

31、在go膜表面的環(huán)氧基，易與醇、胺或醇鹽等發(fā)生反應(yīng)，從而可以輕松添加結(jié)合基團(tuán)，通過(guò)這種功能化策略可以固定氨基酸、肽和蛋白質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)go膜表面的改性修飾。氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)是吸附稀土元素的極具潛力的配體，其具有定制氨基酸序列和二級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽可以產(chǎn)生各種功能和高度特異性的結(jié)合的能力。

32、層狀膜具有納米限域、長(zhǎng)程限域和易于改性的特點(diǎn)，當(dāng)料液通過(guò)膜材料時(shí)，層狀膜獨(dú)特的層間通道結(jié)構(gòu)，在納米尺度能夠通過(guò)尺寸篩分作用去除水合離子，使金屬離子以裸離子狀態(tài)暴露在長(zhǎng)程通道中，增加與活性位點(diǎn)的接觸幾率和接觸時(shí)間。此外，通過(guò)對(duì)膜表面進(jìn)行修飾和接枝特異性官能團(tuán)，改善通道微環(huán)境，能進(jìn)一步提高吸附性能并實(shí)現(xiàn)快速選擇分離。通過(guò)調(diào)整膜的層間距、表面功能化以及結(jié)構(gòu)定制，可以進(jìn)一步增強(qiáng)膜對(duì)特定離子的識(shí)別和分離性能，為精細(xì)化工、資源回收和環(huán)境治理等領(lǐng)域提供高效的分離解決方案。

33、層狀膜具有納米限域、長(zhǎng)程限域和易于改性的特點(diǎn)，當(dāng)料液通過(guò)膜材料時(shí)，層狀膜獨(dú)特的層間通道結(jié)構(gòu)，在納米尺度能夠通過(guò)尺寸篩分作用去除水合離子，使金屬離子以裸離子狀態(tài)暴露在長(zhǎng)程通道中，增加與活性位點(diǎn)的接觸幾率和接觸時(shí)間。此外，通過(guò)對(duì)膜表面進(jìn)行修飾和接枝特異性官能團(tuán)，改善通道微環(huán)境，能進(jìn)一步提高吸附性能并實(shí)現(xiàn)快速選擇分離，層狀膜在物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)吸附方面展現(xiàn)出對(duì)金屬離子吸附的巨大潛力。本發(fā)明深入研究層狀膜的通道構(gòu)造及其對(duì)金屬離子的傳質(zhì)行為和吸附機(jī)制，以及如何根據(jù)這些機(jī)理設(shè)計(jì)和優(yōu)化層狀膜的功能，對(duì)于提高特定金屬離子的選擇性捕獲與分離具有關(guān)鍵意義。通過(guò)調(diào)整膜的層間距、表面功能化以及結(jié)構(gòu)定制，可以進(jìn)一步增強(qiáng)膜對(duì)特定離子的識(shí)別和分離性能，為精細(xì)化工、資源回收和環(huán)境治理等領(lǐng)域提供高效的分離解決方案。

34、本發(fā)明通過(guò)使用無(wú)機(jī)小分子二胺和有機(jī)小分子氨基酸精確控制層間距及吸附位點(diǎn)的引入，成功制備改性氧化石墨烯層狀膜。該層狀膜在鈧的選擇性吸附和分離中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，為稀土元素的高效提取提供了一種可行的新策略。

35、有益效果：

36、本發(fā)明能夠高效吸附水中濃度較低的鈧離子，且整個(gè)吸附工藝具有操作簡(jiǎn)便、條件溫和、選擇性高和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。