渗透汽化作为一种高效节能的膜分离技术,在化学工业、石油化工、食品工业、制药工业和环境保护等领域具有非常广泛的应用前景。开发高性能膜材料是强化渗透汽化过程、提高膜分离效率的关键。氧化石墨烯作为石墨烯的衍生物不仅具有独特的二维片层结构,还存在大量可改性的极性含氧官能团。片层表面独特的水分子高速传输特性使其在高性能渗透汽化透水膜的制备和应用方面具有重要的开发潜力。静电纺丝技术制备的纳米纤维膜具有高孔隙率、相互贯通的开孔结构、厚度可控等优点,被用作复合膜的多孔支撑层可显著提高渗透汽化膜的传质效率。但正是由于纳米纤维膜具有亚微米、多孔、起伏的表层,难以在其表面可控制备均匀、完整的渗透汽化分离用致密选择层,限制纳米纤维复合膜在该领域的发展。因此,本文以构筑新型高性能纳米纤维基渗透汽化透水膜为目标,从膜结构角度出发,基于纳米纤维支撑层的结构特性,选择二维氧化石墨烯片(GO)为功能性构筑对象,分别从分离层、中间过渡层、辅助填充剂三个角度,系统设计与开发出四种新型纳米纤维渗透汽化透水复合膜的制备方法,深入地探索它们的成膜机理,合理调控复合膜的分离层与支撑体之间的界面相互作用以及分离阻隔层微结构,优化所制备的复合膜的分离性能的同时考察其潜在的分离机理,实现渗透汽化透水过程强化。具体研究内容如下:(1)为解决GO膜在盐水分离体系堆叠结构稳定性差的问题,在微米级尺寸的GO片之间引入少量的柔性聚合物聚乙烯醇(PVA)分子链,经过小分子戊二醛(GA)的交联,采用真空抽滤法在纳米纤维支撑层表面制备出具有稳定结构的GO阻隔层,充分发挥氧化石墨烯复合膜在渗透汽化脱盐应用方面的优势。柔韧的PVA分子链作为间隔臂通过桥联作用将GO片层铆在一起,从而提高整个复合膜的力学性能和结构稳定性。通过优化构筑单元氧化石墨烯纳米片和柔性PVA链的使用量,在保证膜结构稳定性的基础上,在GO片层间为水分子提供更多的渗透通道。获得的GO复合膜表现出优异的分离性能:在70℃对35 g/L NaCl溶液进行分离,渗透通量为69.1 L/m~2h,截留率保持在99.9%。(2)为了界面聚合制备适用于有机溶剂脱水的聚酰胺纳米纤维复合膜,在粗糙、多孔的纳米纤维基膜表面引入乙二胺(EDA)改性氧化石墨烯(eGO)中间过渡层。亲水光滑的超薄(45 nm)eGO中间层不仅可以均匀蓄载游离的EDA水相单体,表面接枝固定的EDA也可在界面聚合过程中与TMC反应,在界面引入大量的共价键界面作用位点。借助场发射扫描电子显微镜、正电子湮没等表征手段证实可通过优化eGO负载量,可调控界面聚合过程,增加PA层与eGO层的界面作用强度,提高整个复合层的致密性和选择性。当eGO的负载量为80 mg/m~2时,在70℃对90 wt%异丙醇溶液进行分离,渗透通量为4150 g/m~2,分离因子为1866。(3)受eGO过渡层调控界面聚合过程的启发,为进一步降低复合膜的传质阻力,将少量GO片掺入水相中,然后直接进行界面聚合制备选择性聚酰胺层。由于纳米纤维支撑层的高渗透性,平行于膜方向排列的亲水性GO片也可负载更多的水相单体,自身参与界面聚合为聚酰胺层的初始构筑提供骨架模板,形成独特的选择性结构。系统表征了纳米纤维表面不同GO掺杂量的聚酰胺阻隔层结构,评价其对应的渗透汽化分离性能。与未引入GO的聚酰胺层相比,痕量GO(水相掺杂浓度:0.001 wt%)辅助构建的聚酰胺膜提高选择性的同时,确保较高的渗透通量。优化后的复合膜在70℃对90 wt%异丙醇溶液进行分离,渗透通量为6593 g/m~2,分离因子为1491。(4)为了进一步提高聚酰胺复合膜的渗透汽化分离效率,对GO进行两性离子(磺酸甜菜碱)接枝改性,然后将其掺杂进水相进行界面聚合制备聚酰胺膜。聚磺酸甜菜碱接枝到GO表面可以抑制片层的紧密堆叠,其表面的两性离子(磺酸根阴离子和季铵盐阳离子)官能团对水分子具有强吸附作用。将其引入到聚酰胺层中可形成水化层,为水分子提供渗透通道的同时强化复合膜的亲水疏醇性。考察了水相中改性氧化石墨烯含量对聚酰胺阻隔层结构和分离性能的影响。结果表明:与氧化石墨烯相比,改性氧化石墨烯(水相掺杂浓度:0.005 wt%)辅助构建的聚酰胺纳米纤维复合膜实现渗透通量和分离因子的同时提高,在70℃对90 wt%异丙醇溶液进行分离,渗透通量为8835 g/m~2h,分离因子为2036。综上所述,本论文从膜结构设计的角度,利用氧化石墨烯不同功能性优势(分离层主体、中间过渡层、辅助填充剂等),采用简单、高效的制备方法,成功在纳米纤维表面构筑了四种具有不同纳米拓扑结构的致密阻隔层,实现渗透汽化透水膜的高效分离。期望对能源和环境相关领域的新型分离膜开发研究工作起到一定的参考价值。