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GO膜 膜材
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氧化石墨烯膜表面褶皱对其气体和液体分离性能的影响
《OIL实验室》微信公众号 / 时间:2018-07-25 10:29:10

  据OIL实验室微信公众平台2018年7月18日讯 氧化石墨烯(graphene oxide, GO)膜已经被证实在气体和液体分离领域具有很大的应用前景。然而,GO膜在实际应用时还面临几个重要挑战:如纳米级厚度的GO膜力学性能较弱、在水里易发生溶胀和精确调控层间距等。GO膜干态和湿态的层间距分别约是0.8和0.34纳米。GO膜表面的含氧官能团产生的空间位阻是层间距增大的一个主要原因。溶胀不仅会降低膜分离性能,而且会减弱膜的力学稳定性。通过共价键将GO层片交联是抑制溶胀最主要的方法。此外,膜的制备方法对膜形貌和分离性能也会有影响。比如高压过滤会使GO层状结构更紧密有序。
  GO膜表面性质是影响膜性能的另一个重要因素。目前主要有两个思路去改变GO膜表面性质:还原和表面官能化。GO还原可以消除表面含氧官能团从而降低空间位阻,减小层间距。然而,还原伴随着膜表面亲水性的下降,使GO在水中分散性变差。由于GO膜的分离性能除了物理尺寸排除效应外,电荷也因为道南效应有很大的影响。因此,通过在GO膜表面接枝正电的高分子可显著提高对二价阳离子如Mg2+ 、Pb2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+的脱盐率。
  在GO膜的制备过程中,如滴涂、旋涂、喷涂和抽滤等,实验和模拟都证明GO膜表面会有明显的褶皱。这是由于GO柔性、超薄的二维片层结构导致的。一旦这些褶皱在制备初期形成,随着膜厚的增加,这些褶皱会被放大而更加明显。在最近的一个模拟研究中,Kim等发现边边连接和面面衔接对GO膜的褶皱有很大影响。边边连接更容易形成褶皱结构从而影响GO膜的堆叠方式。减弱这些褶皱结构可以将Na2SO4的脱盐率从21.3%显著提高到85.5%。


图1.制备GO/EDA和OAGO/EDA膜的化学反应过程

图1.制备GO/EDA和OAGO/EDA膜的化学反应过程


  近日,来自阿克隆大学的Han Lin等人通过在GO表面接枝草酸(oxalic acid, OA)使GO片更倾向于面面衔接。随后,GO片层之间再用乙二胺(ethylene diamine, EDA)交联,使GO膜更具有更有序紧密的堆叠,同时减弱GO膜表面褶皱。同时,该GO膜通过高压抽滤的方法沉积在聚多巴胺改性的聚醚砜(polyethesulfone, PES)多孔支承层上,使GO膜的有序度更好。GO膜的厚度可以通过调控GO的含量控制在100~400nm之间,层间距小于1nm。最终优化得到的OAGO/EDA膜表现出优异的H2/CO2透过选择性,分离因子达到16.14,H2的透过量是1.362×10-8 mol m-2 s-1 Pa-1。该OAGO/EDA膜同时具有优异的液体分离性能,对甲基蓝的脱除效率可达到99.9%,对Na+、K+、Mg2+、Cl- 、SO42-的脱盐率都在98.1%以上。
  这个研究工作为制备具有强的面面相互作用和更优的有序结构的GO膜提供了一种新的方法。由于其简单的制备工艺,可控的层间距,优异的稳定性,此改性的GO膜在气体和液体分离领域具有巨大的应用前景。
  参考文献:Lin, H., Dangwal, S., Liu, R., Kim, S. J., Li, Y., & Zhu, J. Reducedwrinkling in go membrane by grafting basal-plane groups for improved gas andliquid separations. Journal ofMembrane Science, 2018, 563, 336-344.

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