基于氧化石墨烯新型纳滤膜的制备及其分离性能研究

摘要

界面聚合法以其操作简单和容易控制等优点已成为最有效制备复合纳滤膜的方法，通过这种方法制备出来的膜表面有一层致密的聚合物薄层即分离层，可以有效截留二价或多价盐，因而被广泛用于工业废水处理，药物分离精致，食品浓缩等领域。然而界面聚合制备出来的传统复合纳滤膜往往存在通量低，抗污染能力不强的缺点，导致操作能耗增加，膜使用寿命降低。为此，本论文旨在将新型氧化石墨烯复合材料引入到界面聚合形成的聚合物皮层中，进而实现对复合纳滤膜的改性。论文主要研究内容及研究成果如下：
　　（1） EHT/GO复合材料及HT/GO杂化荷正电纳滤膜的制备
　　采用改性Hummer法制备氧化石墨烯（GO），用尿素水解，均匀共沉淀方法制备高结晶度的镁铝水滑石（Mg/Al HT），再用硝酸根置换水滑石间层中的碳酸根，得到硝酸根型水滑石（NO3--HT），然后GO和NO3--HT的剥离液分别通过分散在水中超声和分散在甲酰胺中机械摇晃得到，在静电吸引的作用下，形成EHT/GO复合材料。以聚醚砜（PES）作为底膜，以超支化聚乙烯亚胺（PEI）和均苯三甲酰氯（TMC）为水相和油相单体，同时在水相中添加HT/GO复合材料，通过界面聚合的方法制备HT/GO有机无机杂化荷正电纳滤膜。结果表明：PEI能够使絮状EHT/GO发生解凝，形成更小的团聚物，并且解凝后的EHT/GO可以很好的分散在PEI水溶液中；EHT/GO复合材料的添加有效提高了膜的水通量，在0.8Mpa下，达到26 L/(m2h)；制备出来的纳滤膜表现出明显的荷正电性质，对无机盐的盐截顺序为 MgCl2>NaCl>MgSO4>Na2SO4，其中对MgCl2的截留率达到了97％，表现出较强的水软化能力。
　　（2） GO-TiO2复合材料及GO-TiO2杂化荷负电纳滤膜的制备
　　以GO片层为模板，通过Ti(SO4)2加热水解，在GO片层表面原位生成TiO2颗粒，得到 GO-TiO2复合材料。以聚醚砜（PES）作为底膜，以哌嗪（PIP）和均苯三甲酰氯（TMC）为水相和油相单体，同时在水相中添加 GO-TiO2复合材料，通过界面聚合的方法制备 GO-TiO2有机无机杂化荷负电纳滤膜。结果表明：当GO-TiO2的添加量为0.2%时，在0.8MPa下，水通量达到42.71 L/(m2h)；制备出来的纳滤膜表现出明显的荷负电性质，对 Na2SO4的截留率保持在98.5%以上，而对 MgCl2的截留率则在20%以下；膜的抗污能力得到提升，用牛血清蛋白（BSA）污染添加量为3%的GO-TiO2荷负电纳滤膜时，一次污染通量恢复率在70%以上。
　　（3） GO-ZIF复合材料及GO-ZIF抗菌纳滤膜的制备
　　以GO片层为模板，通过Zn2+与GO表面上的氧原子配位，在GO片层表面原位生成沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）颗粒，得到GO-ZIF复合材料。将GO-ZIF复合材料分散到含PIP单体的水相溶液中，通过界面聚合的方法制备GO-ZIF有机无机杂化抗菌纳滤膜。结果表明：尽管ZIF具有很好的抗菌效果，最小抑菌浓度为256μg/ml，然而 GO-ZIF展现出更强的抗菌能力，最小抑菌浓度达到128μg/ml；此外GO-ZIF的添加提高了膜的抗菌能力，当GO-ZIF添加量为3%时，对大肠杆菌的抑菌率达80%以上。
　　GO片层材料在聚合物表皮层中的存在形式对纳滤膜的渗透通量有较大影响，通过GO与无机纳米材料的复合，可以构建更多的传递通道，提高膜的渗透通量，并且膜同时综合GO和无机材料的优良性质，可以进一步提高膜的分离及抗污染性质。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2界面聚合法制备纳滤膜

1.3石墨烯概述

1.4课题研究意义及主要内容

2实验器材和方法

2.1实验材料

2.2实验仪器与设备

2.3实验方法与表征

3 水滑石/氧化石墨烯聚酰胺纳滤膜的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

4 二氧化钛/氧化石墨烯聚酰胺纳滤膜的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

5 ZIF/氧化石墨烯聚酰胺纳滤膜的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

作者简介及硕士期间相关科研成果

致谢