氧化石墨烯改性纳滤膜的制备及其在离子型稀土浸矿尾水中的应用

发布时间：2020-10-13 23:36

　　 离子型稀土是国家战略资源,其特殊的提取方法,决定了在正常开采完后,山体中流出的水(尾水)仍然含有氨氮和稀土离子,一方面污染环境,另一方面导致稀土损失,因此,研究尾水中稀土的回收具有重要意义,与常规原地浸矿尾水处理方法相比,纳滤膜既能达到很好处理效果又可对尾水中稀土离子富集回收。本文将自制氧化石墨烯改性纳滤膜应用于尾水中稀土的回收,具有创新性和实用性。(1)采用Hummers法制备氧化石墨烯(GO),利用浓硫酸(H_2SO_4)和KMnO_4对石墨进行氧化,破坏石墨层间作用力,达到石墨片层被彻底氧化且剥离。对获得的氧化石墨烯的微观、化学结构表征显示:氧化石墨烯呈薄片状结构,边缘有褶皱重叠现象,这些褶皱的出现可为纳滤膜增加输水通道,进而改善其渗透性;氧化石墨烯中的羧基(—COOH)、羟基(—OH)等亲水性官能团,使其具有了亲水性;该氧化石墨烯的C:O=62:38,层间距0.83nm,表明石墨在氧化过程中的规整度被破坏了,石墨片层已被成功的氧化剥离。氧化石墨烯的这些特性为将其用于纳滤膜的亲水性改性提供了依据。(2)以聚砜超滤膜(PSF)为基膜,以水相中哌嗪(PIP)和有机相中均苯三甲酰氯(TMC)为活性单体,通过二者发生界面聚合反应来进行对纳滤膜的制备,同时在水相中添加氧化石墨烯将其引入纳滤膜,实现改性。对获得的纳滤膜微观结构和化学结构及渗透性能表征,表明氧化石墨烯的加入使纳滤膜表面凸起增加,粗糙度降低,当添加量为0.07wt%GO时,凸起形成团聚且粗糙度上升;经改性后含氮量增加、含亲水性官能团增加、水接触角减小,表明亲水性增强,且在不同pH下,其负电性均强于未改性的纳滤膜;随着氧化石墨烯添加量的增加,盐截留率呈现降低趋势,膜水通量逐渐升高,在添加量为0.06wt%时,水通量达到最大,为98.2L/(m~2·h),当添加量高于0.07wt%GO时,水通量下降。综合分析表明,氧化石墨烯改性纳滤膜制备成功,且氧化石墨烯添加量为0.04~0.06wt%时,膜渗透性能较好。(3)采用氧化石墨烯含量为0.06wt%的改性纳滤膜和未改性纳滤膜分别对离子型稀土浸矿尾水中稀土离子进行富集试验,将尾水中La、Y、Nd、Pr和Ce配制成浓度为0.0013mol/L溶液。结果表明,两种膜在进料流量为5~6L/(m~2·min)、操作压力为0.6 MPa~0.8MPa、pH为4.5~5.0、温度为25℃~30℃时,对稀土离子的富集达最佳。且改性纳滤膜对稀土溶液的富集效果优于未改性纳滤膜,在最佳条件下,二者对稀土溶液截留的水通量分别为23.3~48.3L/(m~2·h)、15.5~37.35L/(m~2·h),对稀土离子的回收率分别为82.3~99.2%、73.4~89.6%。在抗污染性能试验中,经16h的截留后,未改性纳滤膜的纯水通量恢复率为78.5%,而改性纳滤膜的纯水通量恢复率为95.1%,表明经氧化石墨烯改性的纳滤膜具有更强的抗污染性能。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X753;TB383.2
【部分图文】：

是纳滤膜结构示意图。图1.1 纳滤膜结构示意图1.2.2 纳滤膜技术在水处理中的应用现状纳滤膜分离技术因众多优良的特性，在很多领域都有应用，如在饮用水领域的处理，同时，也广泛的应用于对工业废水及海水淡化等有效处理。而在工业废水中，不仅可以有效的作为预处理单元，保证后续的处理单元有效发挥，而且可使水质达标。在海水淡化方面主要利用其独特的孔径可以对水中杂质进行高效的富集浓缩。故纳滤膜在被广大学者进行研究，也因其广泛的应用价值和应用领域。（1）纳滤膜在饮用水处理中的应用杨忠盛等[7]将纳滤与其他工艺相组合对饮用水处理进行研究发现，纳滤对水中三卤甲烷前体物和卤乙酸前体物的去除效果可达 90%以上。何忠等[8]在深度处理饮用水的研究中表明，纳滤膜工艺对大部分的消毒副产物去除率在 63.7%以上。

的含氧官能团，如羧基（—COOH）、羟基（—OH）等。氧化石墨烯具有较大比表面积和较好机械强度、亲水性及分散性的优点得益于其层状结构，将氧化石墨烯应用于膜分离技术有较好应用前景。氧化石墨烯化学结构如图1.2[87]。图1.2 氧化石墨烯结构示意图1.6.2 氧化石墨烯的应用氧化石墨烯具有柔韧性强、导热性强和亲水性好等特性，在多个领域均有应用，最普遍的如环境、能源和医学等领域。

同时，褶皱的存在也供应了另外的输水通道，在一定程度上可以改善纳滤膜的通量。图2.1 氧化石墨烯透射电镜（TEM）图2.5.2 氧化石墨烯化学结构分析（1）傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析如图 2.2 所示为自制氧化石墨烯的红外光谱图像，对其进行化学结构的表征。在3437cm-1处有一个明显的吸收峰，该位置为亲水性官能团羧基（-COOH）上的羟基（-OH）的吸收峰，表明氧化石墨烯具备作为纳滤膜亲水性改性材料的特性。在 1625cm-1处出现了碳碳双键（C=C）的伸缩振动峰，在 1400cm-1处的吸收峰代表了氧化石墨烯中存在C-H 面内弯曲振动，在 1060cm-1处出现了酮（C-O）的振动吸收峰，以上性能结果均符合常规氧化石墨烯特性，表明自制氧化石墨烯制备的成功，此外，这些化学结构性能使得将其用于对纳滤膜的亲水性改性成为可能。
【参考文献】

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1 李英杰;纳滤在离子吸附型稀土矿浸出液回收稀土中的应用研究[D];江西理工大学;2016年

本文编号：2839857