组合碳纳米材料改性PVDF超滤膜的性能研究

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膜分离技术因具有高效、节能、无污染、操作方便和用途广等特点而广泛应用于水处理、医疗和工业生产等领域。目前膜分离技术中超滤是一种常用的技术,可分离水中的胶体和大分子物质。在膜材料中,PVDF因其优良的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性而成为常用膜材料,但其低表面能、强疏水性限制了其应用。因此,对PVDF膜进行改性处理在膜发展过程中是一个重要的研究课题。  CNTs和石墨烯因其特殊的结构,机械性能和易改性的特点而广泛应用于众多领域,多个研究结果证实了碳纳米材料用于改性PVDF膜显著提高了膜的纯水通量和抗污染性。两种碳纳米材料之间存在协同效应,共同改性的PVDF膜展示了更好的性能。此前已有化学合成的C60和CNTs材料,该合成物质在制备复合光催化材料方面展示了良好的特性。因此,为进一步充分利用CNTs和石墨烯的特性,本课题使用化学合成的方式连接CNTs和石墨烯用于改性PVDF膜。  鉴于已有研究成功用己二胺修饰CNTs和石墨烯,所以,本课题选用具有两个氨基的己二胺作为连接CNTs和石墨烯的物质,并对合成物进行表征,再改性PVDF膜,研究改性膜的性能。所得结果如下:  (1) FITR分析合成物质OMW-A-GO中存在的官能团,结果显示新材料的红外光谱在1100 cm-1(C-N键)和500-800 cm-1(N-H键)处有峰出现,并存在与OMWNT和GO相近的羧基峰(1640-1710 cm-1),这初步证实了己二胺的引入,及OMW-A-GO的合成;之后使用XPS分析新材料中的元素种类及含量,确定了N元素的引入,由于反应过程中只有己二胺中存在N元素,因此再次证明了己二胺的引入,即新材料的合成;用TEM观察合成材料的形貌,证实材料保持了原有的管状和片状结构,且形成了复杂的结构和粗糙的表面。  (2)使用SEM观测膜的表面形貌,结果显示,碳纳米材料改性的PVDF膜表面有更多的膜孔,特别地P-OMW-A-GO膜的大孔明显少于P-OMW-GO膜,这说明OMW-A-GO对膜的形貌产生了一定程度的影响。  (3)静态接触角测试结果显示纯PVDF膜、P-OMW膜、P-GO膜、P-OMW-GO膜和P-OMW-A-GO膜的水静态接触角分别为84.1°、77.7°、78.7°、78.2°和75.3°,这说明经过氧化碳纳米材料的改性,PVDF膜的亲水性显著提高,P-OMW-A-GO膜由于OMW-A-GO复杂的结构而具有更好的亲水性。  (4)动态超滤实验结果显示,改性膜比纯膜的纯水通量高出100%,且有更高的恢复率。P-OMW-A-GO膜展示了比纯PVDF膜、P-OMW膜、P-GO膜和P-OMW-GO膜更高的纯水通量和恢复率、BSA截留率和较低的不可逆污染比率。这证实了新材料在改性PVDF膜方面良好的作用。  (5)静态吸附实验结果表明,亲水性较高的P-OMW-A-GO膜拥有比纯PVDF膜、P-OMW膜和P-GO膜更低的BSA吸附量。  总之,本实验成功地将氧化碳纳米管与氧化石墨烯通过己二胺化学连接成新材料OMW-A-GO。使用新材料OMW-A-GO改性PVDF膜提高了膜的亲水性、纯水通量和通量恢复率,特别地,与具有良好性能的改性膜P-OMW-GO膜相比,P-OMW-A-GO膜的BSA截留率和不可逆污染比率有显著改进。因此,OMW-A-GO作为PVDF膜的改性材料是一种具有应用性的新材料。
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