基于氧化石墨烯改性复合膜的制备

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膜分离技术有良好的分离、纯化、精制和浓缩功能,又拥有能耗低、环保、过滤工艺简单易操作等特性,因此现如今被广泛应用于食品、医药及水处理等领域。传统的水处理膜如醋酸纤维素(CA)超滤膜、聚醚砜(PES)膜等,在进行分离测试时存在水通量不高、机械强度差以及抗污染性能较弱等问题,极大地影响了分离膜的各项性能,所以很多研究目前都致力于对传统分离膜的改性。氧化石墨烯(GO)等纳米材料具有优良的物理化学性能,亲水性好,资源环保等优点,在分离膜改性方面有较好的研究和应用前景。本文以石墨片(Graphite flakes)、浓硫酸(H2SO4)、浓硝酸(H3PO4)、高锰酸钾(KMnO4)、过氧化氢(H2O2)为原料,采用改良Hummers法,成功制备出部分氧化的氧化石墨烯(GO)。所得产物通过红外光谱分析(FT-IR)和X射线衍射(XRD)对其进行了结构表征,结果表明,所得产物结构上拥有大量含氧官能团,片层间距在0.834 nm左右,确定为目标产物。将GO作为表面改性剂,通过辅压真空自组装方式将GO组装到CA基膜表面,成功制备了GO/CA分离膜。对GO/CA分离膜进行了红外(AT-IR)光谱、拉曼光谱等测试,同时对分离膜进行了通量、截留率及抗污染性能的测试。结果表明GO作为改性剂提高了CA膜表面的亲水性,随着GO含量的增加,GO/CA分离膜的纯水通量呈现一个先增大后减小的趋势,在GO含量为0.3 mg时,纯水通量最高,达到了96 L/m2·h,对CaCl2的截留量在82%左右。GO含量再次增加时,纯水通量逐渐减小,这是因为表面覆盖过多,增大了水分子的传质阻力。同时,以GO加入量为0.3 mg所制备的GO/CA膜的抗污染性能较CA膜提高了10个百分点,在120 h内操作,纯水的通量恢复率能够稳定在70%以上,比起CA膜的60%以下性能更好。将乙二胺(EDA)与均苯三甲酰氯(TMC)在GO片层间原位聚合形成的聚酰胺(PA)交联,成功制备出新型GO-PA/CA改性膜。通过红外光谱(AT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等测试手段对改性膜进行表征,并对其分离性能和抗污染性能进行了测试。结果表明,通过共价键交联后的改性膜,相比于GO/CA膜稳定性更好。随着GO浓度的增加,GO-PA/CA膜的表面更为光滑,这有益于提升改性膜的抗污染性能;同时,增加GO浓度可使膜亲水性增强,进而增加纯水的吸附和通量的提高;膜表面负电荷强度也会增大,从而使截留率有所上升GO浓度增大过多会导致膜的厚度增加,水分子的传质阻力也随之增加,膜通量下降。对改性膜进行蛋白质污染后,对盐溶液的截留率下降,但是随着GO浓度的增加,对CaCl2,NaCl以及Cu(NO32的截留率增加,说明GO的加入有益于改性膜的抗污染性能;同时,通量恢复率图也说明了引入PA之后,改性膜的稳定性相比于之前得到了大大的提升。
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