基于三维通道石墨烯基纳滤膜的设计、制备及性能研究

发布时间：2020-11-21 14:34

　　 石墨烯的二维致密结构赋予了其优异的选择分离性能。利用氧化石墨烯及其衍生物(rGO)表面缺陷和层间间隙可构建出纳米级水运输通道,并筛分比通道尺寸大的物质,只允许比通道尺寸小的物质通过。但狭窄的纳米通道以及通道中的亲水官能团会阻碍水分子的传输,对水的渗透形成很大的传输阻力,相应的水通量受到了极大的限制,是当前制约分离膜性能的主要瓶颈。本课题期望通过对石墨基膜分离传质机理的深入研究,设计并构建出具有立体三维传输孔通道的石墨烯基纳滤膜,以获得优异的水通量,同时保持其优异的选择性;并对其膜过程深入研究,通过探索膜过程与电催化协同耦合技术,赋予膜通道电催化活性,实现功能设计。为扩展石墨烯基分离膜中石墨烯片层间的层间距获得更宽的纳米水通道,以及降低由亲水性官能团引起的水运输阻力,利用一步水热法制备了rGO-TiO2复合分散液,将TiO2负载于石墨烯表面的同时,获得适度还原的氧化石墨烯(rGO)。进一步利用一维的含氧官能化碳纳米管(oCNT)与rGO-TiO2间的结构协同构建出具有三维结构的石墨烯基功能层;通过一系列表征及分离测试证明,TiO2依靠化学及物理作用成功搭载于rGO表面,TiO2及oCNT被成功引入石墨烯层间,所制备石墨烯基膜具有更为立体的三维通道结构。本课题基于所制备石墨烯基膜的化学结构,提出利用水分子作为二次软体支撑层,制得石墨烯基湿膜。系统地与相应的石墨烯基千膜对比,分析湿膜的微观结构变化,发现其具有更加明显的分层堆叠结构及更大的层间距,水通量和对小分子有机污染物甲基蓝(MB)的截留率均得到未曾报道过的大幅度提升,通量可达71 L.m-2·h-1·bar-1,截留率均达99%以上。进一步探究了该石墨烯基湿膜对更小分子半径的甲基橙(MO)的截留率时,发现该石墨烯基湿膜同时兼具优异的吸附性能。根据膜的稳定性及静态吸附实验结果深入剖析了石墨烯基膜的分离筛分机制。此外,基于膜结构的设计及膜分离过程,将具有优异导电性的石墨烯基膜用作分离膜,同时充当阳极端,以实现膜过程耦合电催化技术。其中TiO2不仅可作为插层粒子,还可充当电催化剂,通过膜分离耦合电催化赋予石墨烯基膜纳米通道电催化活性,使得无法依靠尺寸筛分截留的有机物被降解;有效的缓解了膜分离过程中通量和截留之间的不平衡。相比于未耦合电催化技术的分离,该石墨烯基分离膜耦合后对于有机污染的去除率提高52%以上;考察了不同电催化剂TiO2和oCNT含量的石墨烯基分离膜对电催化性能的影响,发现TiO2及oCNT均存在一个最优的加入量范围。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.893
【部分图文】：

分离膜充当分隔两相的界面阻挡层，视为分隔两相的不连续区间，??可为固相、气相或液相中的一种，可以以特定的形式在两相截面间限制和传递特??定的化学物质，如图１－３所示。膜分离技术的核心在于分离膜的制备，依靠分离??膜本征的选择渗透性，对混合物中溶质或溶剂进行分离、提纯、富集或分级。就??

与传统过滤方式不同，膜分离技术可以在分子级别范围内实现精确的物质分??离，这一过程大多以物理作用为主，无相的变化或添加助剂。当分离不同分子半??径的混合物时，膜分离过程及传递化学物质的推动力等都是不同的。如图１－４，??用于水净化或脱盐的几种典型的膜过程在很大程度上是基于所分离的溶质尺寸??的不同而区分，主要包括微滤（ＭＦ），超滤（ＵＦ），纳滤（ＮＦ），反渗透（Ｒ０）??及正向渗透（Ｆ０）的过程，不同的膜分离过程应用于分离不同的物质。如ＭＦ膜??的主要功能是去除悬浮颗粒和微生物病原体；ＵＦ膜设计用于保留大分子，如天??然有机物质，以及较小的病原，ＵＦ膜的截留分子量在约５－５００ｋＤａ之间。ＭＦ和??ＵＦ膜是多孔的？，而ＮＦ膜可以有效地去除水中钙或镁等离子，避免水垢的形成，??可适当地降低水中盐度；且依靠不同的传质机制对分子质量较小的有机物质进行??分离。根据具体的纳滤膜结构设计，其分离机制可为基于筛分和溶液扩散机制的??组合。Ｒ０和Ｆ０膜设计用于脱盐，目前的ＲＯ和ＦＯ膜是无孔的，可除去分子量??大于约ｌＯＯＤａ的不带电溶质及几乎所有离子

混合物的分离，其孔径范围大致为０．０５？２０＾ｍ。微滤膜分离技术是从常规的粗?＿??滤过渡到精密筛分的膜过程，可排除比孔径大的物质。此外，微滤膜分离也可通??过膜内部的网络结构对颗粒物质物起到截留或吸附作用，如图１－５所示。目前，??认为微滤分离膜技术的截留机制大致包括：孔道尺寸筛分的机械截留，物理吸附??或电性能影响，由入口处的截留物质引起的架桥作用，以及网络型膜结构的内部??截留作用。??｜机械截留?吸附截留架桥截留?４?Ｘ／ｊ?＾?＾??膜表面层的截留?（ｂ）膜内部网络内的截留??图１－５微滤膜截留分离机制的示意图［３２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?＂??超滤膜分离￥介于微滤和纳滤分离之间，亦是在压力作用趋动下实现的筛孔??分离过程，孔径范围约ｌｎｍ？０．０５｜ｉｍ。一般认为超滤分离过程是由筛孔分离主导??的过程，即当含有不同分子半径的溶质的溶液流过ＵＦ膜表面时，在压力的驱动??６??
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本文编号：2893144