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氧化石墨烯复合膜高效脱盐净水
2017/8/31 11:24:58

纳滤膜是解决越来越严重的清洁用水问题的重要手段,对海水脱盐、医药食品工业、灌溉行业等领域的发展具有重要的意义。

 

石墨烯由于其优异的力学性能,可以承受横流操作中产生的高强度渗透压和剪切应力。理论上,多孔石墨烯能在水的透过率为10-2 mm-2 s-1 MPa-1的条件下,实现100%的脱盐效率。然而,无针孔的多孔单层石墨烯的大批量制备,任重而道远。

 


图1. 单层多孔石墨烯薄膜脱盐

Surwade, S. P. et al.Water desalination using nanoporous single-layer graphene. Nat.Nanotech. 2015, 10,459–464.

 

与此同时,研究人员又打起了氧化石墨烯的主意,主要有以下三个方面的原因:

 

1)层状结构赋予它独特的离子传递特性;

2)水溶性确保其可以容易成膜;

3)已经实现吨级以上量产。

 

基于氧化石墨烯的大量研究发现,还是存在不少问题:在保证较高的水通量的横流操作中,有的力学性能差,有的脱盐效率不够高,有的力学性能好,且脱盐效率高达97%,但是所使用的过滤成膜技术要实现低成本的工业放大并不容易。

 


图2. 垂直排列的GO复合膜实现97%脱盐效率

 

   有鉴于此,Aaron Morelos-Gomez等人报道了一种基于喷涂工艺、适合规模化、清洁化制备的高效GO/FLG(少层石墨烯)复合膜。

 


图3. GO/FLG复合膜制备示意图

 

研究人员将含有氧化石墨烯和少层石墨烯的水溶液喷涂到PVA修饰的聚砜膜上,然后经过热处理和Ca2+交联过程。

 

研究表明, PVA界面吸附层对于提高薄膜的力学性能起到决定性关键作用,确保GO/FLG膜可以在高强度横流测试中稳定工作120 h,实现86%的脱盐效率和96%的阴离子染料脱除率。

 

图4. PVA的决定性作用

 

对比实验发现:相对于纯的GO膜,GO/FLG膜具有更好的耐氯性,更适合标准的工业净水工艺。而相比于GO/DWCNTs(双层碳纳米管)膜,GO/FLG膜脱盐效果更低,透水通量更高。

 转载自纳米人


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