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纳米复合正渗透膜做氧化石墨烯和多壁碳纳米管中间层

发表日期:2019-03-19 14:47文章编辑:国初科技浏览次数: 标签:    

        据大工环境膜技术微信公众平台2019年3月18日讯 TFC膜虽然具有在较宽的工作温度和pH范围内满足分离性能的优点,但是仍然面临着内浓差极化(ICP)的问题。研究显示,使用孔径较大的载体,比如微滤膜(MF)来合成FO膜,可以有效降低ICP,但在大孔径载体上很难形成具有低反向盐通量和良好的聚酰胺层。那么,如何在大孔径载体上生长良好的聚酰胺层?
  《薄膜纳米复合材料正渗透膜:在亲水微滤载体上做氧化石墨烯和多壁碳纳米管中间层》(第一作者:Wang Zhao,通讯作者:Xiwang Zhang,通讯单位:Department of Chemical Engineering, Monash University)采用氧化石墨烯/多壁碳纳米管作为中间层,既为PA的生长提供良好反应界面,又为水运输提供额外的纳米通道,可以在大孔径载体上生长理想的PA,且和未修饰的相比厚度降低了60%。同时具有较高的水通量和较低的反盐通量。

 

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图1.思路流程图

 

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图2.氧化石墨烯/多壁碳纳米管中间层薄膜纳米复合膜的合成工艺


  图2描述氧化石墨烯/多壁碳纳米管中间层薄膜纳米复合膜的合成工艺。首先,将0.26mg多壁碳纳米管(含30% PVP)和0.05mg氧化石墨烯与去离子水混合,超声30min。然后将氧化石墨烯/多壁碳纳米管悬浮液经真空过滤过滤在尼龙微滤膜上,形成氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合层。获得该复合层后,将30mL4.5wt%MPD水溶液通过该复合层过滤。然后,加30mL0.15wt%TMC正己烷溶液中,关闭真空泵。然后将所得膜在70℃下加热10分钟。

 

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图3


  图3a、3b图像看出,多壁碳纳米管的长度为几微米,直径为13.66±0.78 nm,而氧化石墨烯纳米薄片具有典型的褶皱和脱落结构,横向尺寸为几微米。
  图3c、3d可以看出,与尼龙载体相比,氧化石墨烯/多壁碳纳米管分散体过滤后,在尼龙载体上又形成了一层均匀的氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合层,可见,氧化石墨烯/多壁碳纳米管层很好地覆盖了尼龙载体上可见的微米级孔隙。

 

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图4.不同孔径下修饰与未修饰PA膜厚度比较


  从图4可以看出,经过氧化石墨烯和多壁碳纳米管修饰后,不同孔径下的PA层厚度均有所降低。

 

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图5.将氧化石墨烯/多壁碳纳米管复合层引入聚酰胺形成过程的模型


  具体分析PA膜厚度降低原因,大致可分为:(1)中间层可以控制界面聚合反应界面,使其不在载体孔内。(2)中间层限制PA在深孔内形成。

 

 

图6.不同孔径下修饰与未修饰SEM图像


  图6可以看出PA膜和引入中间层的PA膜均为经典的脊谷聚酰胺膜,表面粗糙,含有结节和“叶状”褶皱。随着载体孔径的增大,聚酰胺的结构由相对较小的虫状结构向“叶状”结构转变。尼龙载体孔隙大小从0.1到0.45μm发现覆盖与聚酰胺层PA和引入中间层的PA膜没有明显差异。然而,当尼龙载体的孔隙大小增加到0.8μm,引入中间层的PA膜显示了更好的覆盖层与不可见的微米大小的孔,这进一步证明了中间层的存在促进了聚酰胺层生长在大毛孔,生成无缺陷聚酰胺层。

 

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图7.不同孔径下2种膜水通量与反向盐通量对比


  图7可以明显看出,从孔径0.1~0.45微米,水通量一直上升,这是由于载体孔径的增大加速了盐离子的扩散,降低了对水的传质阻力,从而减轻了ICP。孔径继续增大,水通量反而下降,这可能是由于支撑孔内聚酰胺的形成,这增加了水运输的总路径。对于反盐通量,可以看出,随着载体尺寸的增大,PA膜和修饰的PA膜的盐通量均逐渐增大,如图7b所示。但有中间层比没有中间层效果要好。

 

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图8.加入不同纳米材料的性能对比


  图8可以看出通过综合对比文献中膜性能(水通量和反向盐通量),可以看出GO/MWCNT要优于它们。

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