论文部分内容阅读
氧化石墨烯(GO)凭借高比表面积,良好的机械稳定性、生物相容性和优异的亲水性等特点,在膜改性领域引起了科研工作者的广泛关注。此外,GO表面大量的含氧官能团(羟基,羰基和羧基)赋予了其诸多活性位点,便于构建新型的复合无机功能材料。随着膜分离应用的不断推广,分离膜的操作环境也逐渐多样化,对其性能要求也越来越严苛。结合有机膜和无机功能材料的优点来设计性能优异的分离膜是当下膜分离领域的研究热点之一。本课题选取了几种性能优异的无机材料,通过化学接枝法、水热法等技术与GO复合,成功构建了几种复合功能材料。并将其用于改性聚砜(PSF)超滤膜和超薄复合纳滤膜,以提升膜的分离性能。具体研究内容和结果如下:(1)通过化学接枝法合成GO-SBA-15复合功能材料,将其共混掺入PSF/PVP/DMF体系,采用浸没沉淀相转化法(NIPS)制备得到改性的PSF超滤膜,并用于分离水体中牛血清蛋白(BSA)。GO-SBA-15的表征结果证明了SBA-15能够均匀分散在GO片层,成功解决了无机材料在聚合物内部的团聚问题。改性超滤膜拥有更优异的孔结构、更大的孔径与孔隙率、更高的表面亲水性、更高的机械强度。膜的分离性能测试实验表明GO-SBA-15的最佳负载量为0.2 wt.%(G-S/M2)。G-S/M2的纯水通量达到了641.7 L m-22 h-1,约为纯PSF膜通量(229.2 L m-22 h-1)的3倍,同时保持了对1 g/L BSA溶液较高的截留率(98.22%)。膜的抗污染实验表明了改性超滤膜的具有优异的抗BSA污染性能,且80%的膜污染为可逆污染,可通过简单的清洗过程恢复,延长了膜的使用寿命。(2)通过水热法将ZnO纳米粒子水解沉积在磺化氧化石墨烯(SGO)片层合成SGO-ZnO复合纳米粒子。将其与PSF掺杂,通过NIPS法制备出改性的PSF超滤膜。SGO-ZnO的掺入不仅改善了PSF膜的孔径、孔隙率、表面亲水性以及机械强度等结构性能,还大幅度增强了其分离性能。在SGO-ZnO的最佳负载量为0.2 wt.%(SG-Z/M3)的膜上,BSA溶液(1 g/L)的截留率为98.25%,纯水通量的最大值601.0 L m-22 h-1。FRR值为88.6%,约为PSF(58%)膜的1.5倍,表明了抗BSA污染性能显著提高。改性超滤膜用于分离水中微量的腐殖酸(HA),测试结果表明(SG-Z/M3)膜对10 mg/L的HA的通量为522.8 L m-22 h-1,截留率为98.33%,持续过滤10 mg/L HA溶液180 min后,仍然能够保持原始通量的87.9%,高于纯PSF膜的67.4%。(3)采用NIPS法制备PSF超滤膜作为多孔支撑体(基膜)。聚哌嗪(PIP)和均苯三甲酰氯(TMC)两种活性单体在基膜表面通过界面聚合反应生成聚哌嗪酰胺薄层。通过水热法将SiO2纳米粒子水解分散在GO片层成功合成了GO-SiO2复合纳米粒子,GO-SiO2引入聚哌嗪酰胺薄层制备出复合杂化纳滤膜(TFN-NF)。实验结果表明当聚哌嗪酰胺薄层中GO-SiO2负载量为0.01 wt.%时,TFN获得最佳分离性能。对NaCl,Na2SO4,MgSO4三种无机盐的截留率分别为40.7%,93.2%,82.4%,纯水通量为43.55 L m-22 h-1。在持续过滤500 mg/L BSA溶液180 min后,0.01 wt.%GO-SiO2/NF膜通量下降了17%,远小于纯NF膜的33%,证明了GO-SiO2的掺杂显著提升了复合纳滤膜(TFC-NF)的抗蛋白质污染性能。