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压力辅助制备氧化石墨烯量子点复合反渗透膜

发布时间:2018-5-17 14:14:21      阅读100

  水资源短缺问题将是在未来十年之内持续性的环境和社会问题,基于反渗透膜的膜分离技术有望从咸水或海水中大量生产淡水,并且其具有高通量、操作简单、成本低等优点,目前,将纳米材料与聚酰胺(PA)复合制备新型纳米复合膜是该领域研究的热点。复合膜的物化性质可以通过所选纳米材料进行调控以满足指定的水处理应用场合,某些纳米复合膜不仅可以同时优化透水性和溶质选择性,还表现出优异的抗污染和抗菌能力。
  氧化石墨烯(GO)因其独特的理化性质如单原子层的二维结构、优良的延展性、良好的机械强度等,被用于制备高性能的纳米复合过滤膜。水分子在氧化石墨烯纳米孔中、GO纳米片之间的纳米通道中具有超快传输速率,此外,GO独特的结构和表面性质可以有效阻止疏水性污染物的吸附,并有助于防止表面菌落繁殖,从而使复合膜具有良好的抗污染和抗菌性。GO与PA复合还可以阻止活性氯离子与其接触,从而在保持复合膜水通量和脱盐性能的同时提高其抗氯性能。GO的尺寸对于复合膜的性能具有重要影响,研究表明,随着GO的片层尺寸从几微米到几百纳米的变化,其离子透过性显著提高,因为纳米片之间形成更多的毛细管道。当用GO改性过滤膜表面时,其片层尺寸会显著影响复合膜的抗菌性能,小片层的GO将会更加显著提高膜的抗菌性。
  在本工作中,作者选用氧化石墨烯量子点(GOQDs)作为纳米填充物制备新型的纳米复合过滤膜。复合膜的制备过程见图1,首先将GOQDs与间苯二胺(MPD)的混合物通过压力辅助沉积在聚砜基底上,而后在苯三甲酰氯(TMC)与MPD界面聚合的过程中将GOQDs引入到所得的PA层中。
  GOQDs的表征结果见图2,GOQDs的高度介于0.4nm到1.8nm,动态光散射测试结果显示其平均直径为11nm,TEM图像可以看出其形貌为圆形。Zeta电位表征说明其表面带负电荷,FTIR表征显示其表面带有羧基和羟基,Raman表征显示GOQDs具有较高的ID/IG,说明其边缘缺陷较多,跟预期一致。
  从SEM表征结果可以看出,GOQDs的引入改变了膜的形貌,在初始膜的脊-谷结构上增加了突出区域和粒状形貌。从截面的表征可以看出,GOQD导致聚合得到的PA层厚度减小。AFM结果显示,GOQDs的引入增大了膜的粗糙度。在界面聚合反应过程中,MPD需要透过GOQDs与TMC反应,GOQD层阻隔延缓了PA层的形成,减小了PA层的厚度,其自身周围形成团聚体,显著提高了膜层的粗糙度。
  膜的水通量和脱盐率的测试结果如图4所示,引入一定量的GOQDs可以提高膜的水通量,而不影响脱盐率。因为,一方面GOQDs提高了膜层亲水性,其构成的纳米通道缩短了水传输的路径,但是PA层的质量是决定膜脱盐性能的关键,引入过多GOQDs影响界面聚合得到的PA层的质量,从而导致脱盐性能的下降。除此之外,作者还进行了GOQDs的引入对膜的抗氯、抗污染和稳定性的研究,发现复合膜展示出出色的稳定性、优异的抗污染能力,和显著提升的抗氯性能。

图1.压力辅助制备氧化石墨烯量子点复合反渗透膜过程示意图

  图2. GOQD的表征: (A) GOQD的AFM图像;(B) GOQD的高度分布; (C) GOQD的尺寸分布(动态光散射表征结果);(D) GOQD的TEM图像; (E) GOQD的高分辨TEM图像;(F) GOQD的尺寸分布(TEM图像统计结果);(G) 不同的pH值下的zeta电位;(H) FTIR光谱; (I) GOQD的拉曼光谱

图3. 膜的表面(A-C)和横截面(D-F)的SEM图像;膜表面的AFM图像(G-I)

图4. 不同含量的GOQD制备的膜的通量和脱盐性能

文章链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ta/c6ta06636d#!divAbstract

来源:OIL实验室

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