石墨烯/二硫化钼复合纳滤膜的制备及其性能研究

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随着世界工业化进程的推进,全球性水污染、水资源短缺逐渐成为现代经济社会发展的障碍,对公众健康产生了严重威胁。在此背景下,多种先进的水处理技术逐渐被开发并运用于实践研究中。膜分离技术在众多水处理技术中脱颖而出,其显著优势为对环境影响小、便于操作且具有较高的效率。近年来,随着二维材料的发展,氧化石墨烯(GO)作为一种新型二维材料,由于其薄的二维结构、良好的机械性能等优点,受到了研究者的广泛关注,并被应用于膜分离领域。然而,由于含有丰富的含氧官能团,氧化石墨烯膜在水中易发生水合作用,导致水通量很低且稳定性很差。为了提高水通量和截留性能,本文通过嵌入二硫化钼(Mo S2)、温和水热还原氧化石墨烯等方式来制备新型复合膜来探究。其主要内容如下:(1)采用钼酸钠和硫脲作为原料,通过水热法制备出二硫化钼纳米片。利用电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等技术分析制备的形貌和化学结构,研究结果表明所制备的二硫化钼具有稳定的2H型结构。(2)对团簇的MoS2进行预处理后,通过将Mo S2和GO通过真空抽滤法在PES基底膜上成功制备GO/Mo S2复合纳滤膜。实验结果表明,当GO含量为0.5mg,Mo S2含量为0.45 mg时膜的性能最佳,纯水通量可达到22.5 L/(m~2·h·MPa)为纯GO膜的6.8倍,对直接红80(AR)染料和甲基蓝(MB)染料的截留效果分别为98.8%和96.7%,对不同浓度MB染料的截留均达到95%以上。对Na2SO4、Mg SO4、Na Cl和Mg Cl2的截留率分别为64.1%、50.2%、39%和25%,且对四种盐溶液的截留规律满足:R(Na2SO4)>R(Mg SO4)≈R(Na Cl)>R(Mg Cl2)。同时,复合膜在纯水浸泡三十天没有任何损坏,具有较好的稳定性能。(3)在此基础上,对GO进行温和水热还原,制备RGO/Mo S2复合纳滤膜,研究发现,通过采用扫描电子显微镜(SEM)观察复合膜的表面形貌,利用原子力显微镜(AFM)发现其粗糙度逐渐增加。随着Mo S2含量的增加,相比较纯的GO膜层间距增大,同时接触角变大达到84°,大接触角有助于膜在水中的稳定性。复合膜具有比GO膜更高的电负性,对于染料具有较好的截留效果。实验结果表明,RGO/Mo S2复合纳滤膜可达到高达35 L/(m~2·h·MPa),对硫酸钠具有较好的截留率为86.7%,同时对不同盐的截留率也满足R(Na2SO4)>R(Mg SO4)>R(Na Cl)>R(Mg Cl2)。该复合膜对甲基蓝和刚果红具有较好的截留率为97.8%和98.6%,对不同p H值和不同浓度的刚果红截留率均在95%以上。此外,该复合纳滤膜在不同p H值下环境中浸泡下均没有出现损坏,在错流条件下连续工作50 h,膜对染料的截留性能几乎没有变化,表明该膜在静态和动态条件均保持很好的稳定性能。
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