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传统高分子纳滤膜在渗透性与选择性之间一直存在此长彼消的Trade-off效应,且抗污染性能、化学稳定性能也亟待提升。近年来,纳米材料的快速发展对推动高分子膜材料研发具有重要意义,尤其以氧化石墨烯(GO)为代表的二维碳纳米材料在分离膜材料中的应用备受青睐。引入二维石墨烯纳米材料有望突破高分子膜的Trade-off效应,开发高通量、抗污染、化学性能稳定的复合膜材料,大大节约新膜研发所需的时间与成本。因此,本文采用共混(浸没沉淀相转化法)或化学交联(界面聚合法)方法将含有不同官能团的改性石墨烯引入到高分子膜基质中,探究改性石墨烯与高分子基质纳米复合纳滤膜之间的构效及量效关系,揭示改性石墨烯与高分子膜基质之间的相互作用,阐明高分子基质纳米复合纳滤膜的成膜机理,优化高分子基质纳米复合纳滤膜的结构与性能。全文主要包括以下四个方面的研究内容:(1)选用带不同官能基团的3种改性石墨烯:(Ⅰ)利用改进Hummers法制备含有-OH、C-O-C、-COOH等亲水基团的GO,其片径大小为400～800 nm,平均厚度约为1.1 nm。(Ⅱ)利用马来酸酐与GO结构中羟基发生开环反应,在GO结构中引入大量-COOH,马来酸酐改性氧化石墨烯(MAH-GO)中氧元素含量从12.88%大幅提高到25.95%,且其片径大小、平均厚度与GO非常相近,表明MAH-GO未改变GO原有形貌及主体结构。(Ⅲ)选用富含-SO3H的磺化石墨烯(SG),S元素含量高达9.14wt%。(2)针对传统聚酰胺类(Polyamide,PA)复合膜(Thin-film composite,TFC)耐受pH范围窄、无法处理强碱废液的现状,本文选用化学性能稳定的聚醚砜(PES)为主体膜材料,SG与GO作为纳米改性剂,采用浸没沉淀相转化法制备耐碱混合基质纳滤膜。研究发现,SG与GO可以实现持久性增强混合基质纳滤膜的亲水性、荷电性、选择渗透性以及抗污染性。由于SG亲水性比GO强,且更容易迁移并富集在膜表面,因此PES-SG混合基质膜分离性能优于PES-GO混合基质膜。当铸膜液中添加0.1wt%SG时,PES-0.10-SG混合基质纳滤膜水通量高达190.5 L·m-2·h-1,相当于纯PES纳滤膜的219.7%,且在强碱环境中表现出良好的长期稳定性能。(3)为改善PATFC纳滤膜的选择渗透性能、抗污染性能与耐氯性能,本文以商品化聚砜(PSU)超滤膜为基膜,通过界面聚合反应将适量MAH-GO或GO引入聚哌嗪酰胺(Polypiperazine amide,PPA)分离层,制备新型纳米粒子复合(Thin-film nanocomposite,TFN)纳滤膜。研究发现,MAH-GO、GO 以化学键结合、横向排列的方式嵌入PPA分离层。由于水相中MAH-GO、GO阻碍了哌嗪单体快速扩散到有机相与均苯三甲酰氯反应,导致PPA分离层的结构相对疏松、厚度较薄且粗糙度较小,有助于提升TFN纳滤膜的渗透性能与抗污染性能。与此同时,由于MAH-GO比GO具有更强的亲水性、更大的荷负电密度,使得TFN-MG纳滤膜的分离性能优于TFN-GO纳滤膜。当水相中添加60 ppm MAH-GO时,TFN-MG-60纳滤膜在保持高脱盐率同时,其水通量达到49.3 L·m-2·h-1,相当于TFC-blank纳滤膜的176.7%,且表现出更加出色的抗污染性能以及耐氯性能。(4)采用对多孔支撑层与分离层的双改性策略,进一步提升复合纳滤膜的分离性能。首先以PSU为多孔支撑层(基膜)的主体膜材料,通过共混磺化聚砜(SPSU)及SG对多孔支撑层的结构与性能进行精细调控与优化;再利用界面聚合反应在PPA分离层中引入MAH-GO或GO,对PPA分离层的结构与性能进行纳米改性。实验结果表明,界面聚合反应、超薄分离层的结构及性能与基膜的孔径大小、孔隙率、亲疏水性、粗糙度等物理化学性质密切相关。当基膜的铸膜液中SPSU/(PSU+SPSU)添加比例为15%、SG浓度为0.10 wt%,水相中MAH-GO浓度为20 ppm时,TFN-MG20-USG10纳滤膜的脱盐率为98.0%,水通量高达85.8 L·m-2·h-1,且表现出优异的抗污染性能及耐氯性能。基膜(孔径为15～35 nm、孔隙率为50～85%、水接触角为64～82°、膜表面粗糙度为1～6 nm)对TFC与TFN纳滤膜PPA分离层的影响机制研究结果表明,选择中等孔径、高孔隙率、亲水性较强的PSU-SPSU-SG共混基膜可以同时提升TFC与TFN纳滤膜的分离性能。因此,基于二维改性石墨烯纳米材料多孔支撑层与超薄分离层的双改性策略,可以充分发挥协同增效作用,为开发高通量且具有合理截留率的纳滤膜产品提供一种新思路。