氧化石墨烯—陶瓷复合纳滤膜的层层自组装制备及其性能研究

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先进的膜材料是膜科技不断发展的关键。GO由于二维网状碳原子构成的独特片状结构,使其具有制备出超薄分离膜层的特性。目前关于GO制备方法的研究已经相当成熟,而对其的洗涤除杂方法的研究则较少;能否快速、高效、低能耗、低成本地对GO实施洗涤除杂,是影响GO能否被广泛推广应用的主要制约因素。目前利用GO制备多层膜的相关报道较为多见,而将GO与Al2O3陶瓷膜结合制备对无机盐具备截留特性的纳滤膜的相关报道并不多见。本文采用改进的Hummers法,并对GO的洗涤除杂工艺进行探索,制备出GO粉末样品。根据层层自组装技术制备多层膜的原理和GO片层边缘羧基水解使片层带负电荷的特点,将GO与聚阳离子电解质聚乙烯亚胺(PEI)组成聚电解质对,以静电作用为驱动力,通过层层自组装技术制备多层膜,最后用环氧氯丙烷(ECH)进行交联处理多层膜,制备出氧化石墨烯-陶瓷复合纳滤膜,此类型膜为新型荷正电有机-无机复合纳滤膜。研究结论有以下几点:(1)本文首次将真空抽滤和错流过滤相结合,解决GO洗涤除杂困难的问题;洗涤除杂工艺对GO反应液进行处理,可以达到反应液强酸回收、GO快速洗涤除杂、GO快速浓缩、节约物料使用的目的。(2)氧化石墨烯-陶瓷复合纳滤膜是一种新型荷正电复合纳滤膜,对镁盐和钠盐的截留能力大小次序为:MgCl2>MgSO4>NaCl>Na2SO4,对阴阳离子的截留率为Mg2+>Na+,Cl->SO42-。在0.6MPa操作压力下,1层至4层复合纳滤膜对 2 g.L-1MgCl2溶液的截留率分别为:90.16%、93.71%、97.54%、92.93%,滤液通量分别为 21.92 L·m-2·h-1、6.68 L·m-2·h-1、5.78 L·m-2·h-1、4.71 L·m-2·h-1。通过对复合纳滤膜的性能进行研究发现,其在不同盐浓度、不同操作压力和持续运行条件下仍具有优良的稳定性。(3)复合纳滤膜组成为:氧化铝(Al2O3)陶瓷多孔支撑体、氧化铝(Al2O3)陶瓷基膜、GO/PEI/ECH复合膜层。复合纳滤膜的GO/PEI/ECH复合膜层外表面褶皱纹理形貌是由于外表面GO片层受力不均衡造成的,GO/PEI/ECH复合膜层内表面GO片层平铺形貌是由于膜层内部GO片层受力均衡造成的。(4)复合纳滤膜在致密PEI膜层对无机盐离子的静电作用、PEI空间网络结构和GO层间结构对一价、二价盐离子的空间位阻作用的协同作用下,产生对MgCl2、MgSO4、NaCl、Na2SO4的截留;GO层间空隙是水分子快速运输通道。
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