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对复合石墨烯基膜的最新研究在水净化规模化应用前景
《材料分析与应用》 / 时间:2018-09-26 08:55:55

  据材料分析与应用微信公众平台2018年9月14日讯 对于复合水处理膜已经实现了改进的工业可制造性,该复合水处理膜在交叉流动条件下表现出高水渗透性,延长的高盐和染料排斥以及更好的耐氯处理性。
  净水技术在世界各地是必不可少的。水处理不仅需要通过海水淡化过程从海水和咸水中生产淡水,还需要去除各种行业中的污染物,包括食品和药剂,纺织品和农业。质量令人满意的水是不可或缺的,并且需要以低成本大规模生产。使用膜生产清洁水在一定程度上满足了当前的需求,但没有单一的膜类型可以去除各种污染物。然而,大多数候选膜具有相似的所需性质,例如选择性、高透水性、机械和化学稳健性以及柔韧性。此外,膜应该由丰富的材料制成,大规模处理和生产,优选通过环境友好的方法。换句话说,膜必须便宜且可制造。这些要求使得难以找到合适的膜材料。到目前为止,主要使用聚合物膜。
  现在,自然纳米技术写作莫雷洛斯·戈麦斯(Morelos-Gomez)等3人研究表明,由氧化石墨烯(GO)和少量石墨烯(FLG)复合制成的膜可以满足上述大部分要求,提供了人们期待已久的聚合物替代品——GO/FLG基膜(图1)。该工作提供了各方面的创新,从支撑工程的增强技术性能和膜的化学成分调整到沉积方法的改进可扩展性和膜测试条件。


对复合石墨烯基膜的最新研究在水净化规模化应用前景

图1.GO/FLG膜的示意图


  该膜拒绝盐和染料,具有透水性,交叉流动性,耐氯性和可制造性。
  首先,与大多数先前使用死端几何形状进行膜测试的报告不同,本发明GO/FLG膜的性能是在交叉流几何学中测量的,模拟工业操作条件。实行错流测量并不简单。一个主要挑战是机械稳定性,即膜对剪切应力的抵抗力。莫雷洛斯·戈麦斯等采用简单但非常有效的解决方案——他们将GO/FLG膜浇铸在常规聚砜(PS)载体上,在膜沉积之前用聚乙烯醇(PVA)涂覆。这极大地增强了GO/FLG膜与PS载体的粘附性。这种简单的处理能够使膜叠层对显着的剪切应力具有弹性——即使在工业应用中使用的水速超过两个数量级,系统也能保持稳定。此外,膜是通过分散喷涂涂覆的,已经证明其在工业规模上以具有竞争力的价格是可行的。因此,这种基于石墨烯的膜有望用于大规模水处理应用。
  由莫雷洛斯·戈麦斯等人提出的膜的类型有一个非常复杂的组成。它包括脱氧胆酸盐和Ca2+除GO和FLG表外。很难描述每种组分的确切作用及其对观察到的有希翼的膜性能的贡献。显然,膜元件相互补充,并出现了新的意外功能。脱氧胆酸盐用于稳定水溶液中的FLG,并且似乎在观察到的高NaCl排斥率中起重要作用,可能是由于其负面变化。与普通GO膜相比,脱氧胆酸盐使渗透速率提高1.5倍。编辑已经表明,由于存在脱氧胆酸盐离子,增加的水通量可归因于GO片之间的层间距增大。此外,Ca2+常规地用于交联GO片以增强膜稳定性,这也有助于增加脱盐率和与脱氧胆酸盐协同作用的水渗透性。然而,在没有脱氧胆酸盐的情况下,Ca2+本身可能由于其正电荷而相当地损害膜性能,这降低了GO片的总体负电荷。编辑使用不同的模拟水平优雅地模拟了Ca2+,脱氧胆酸盐,GO和FLG在膜性能中的集体作用。
  FLG片材为膜增加了非常有价值但非常意想不到的特征。即,FLG的添加增加了对氯处理的高度希望的耐受性。生物污垢代表了当前膜的一个主要问题,被认为是各种水膜技术的致命弱点。氯通常用于减轻生物污损,同时降低聚合物膜的性能。耐氯性是在实际应用中使用膜的主要要求。似乎由莫雷洛斯·戈麦斯等人提出的膜有这个重要的功能。
  由碳纳米材料制成的膜可以潜在地提供聚合物膜的基本限制的解决方案,即膜选择性和渗透性之间的权衡,使其成为非常活跃的研究领域。最近,制备并测试了许多纳米材料膜。一些膜的显示上的实验室工作台规模有前途的性能,例如从各种二维材料制成的新兴原子级薄的膜。但是,一些样品尺寸不超过几微米——比工业应用所需尺寸小10个数量级。大家不能忽视实验室范围之外的实验所带来的问题。例如,它可以在工业规模上生产吗?预想的生产是否符合当前的膜制造方法?膜能够长时间运行吗?它是由丰富且具有成本效益的材料制成的吗?莫雷洛斯·戈麦斯等人不仅提供了复杂混合膜概念的令人兴奋的证据,而且还提供了大多数这些“可制造性”问题的答案,展示了在实际应用中使用这种GO/FLG混合膜的前进道路。
  (文章来自nature网站,由材料分析与应用整理编辑 carbon art)

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