基于三维通道石墨烯基纳滤膜的设计、制备及性能研究

作者
谢程程;
摘要
石墨烯的二维致密结构赋予了其优异的选择分离性能。利用氧化石墨烯及其衍生物(rGO)表面缺陷和层间间隙可构建出纳米级水运输通道,并筛分比通道尺寸大的物质,只允许比通道尺寸小的物质通过。但狭窄的纳米通道以及通道中的亲水官能团会阻碍水分子的传输,对水的渗透形成很大的传输阻力,相应的水通量受到了极大的限制,是当前制约分离膜性能的主要瓶颈。本课题期望通过对石墨基膜分离传质机理的深入研究,设计并构建出具有立体三维传输孔通道的石墨烯基纳滤膜,以获得优异的水通量,同时保持其优异的选择性;并对其膜过程深入研究,通过探索膜过程与电催化协同耦合技术,赋予膜通道电催化活性,实现功能设计。     为扩展石墨烯基分离膜中石墨烯片层间的层间距获得更宽的纳米水通道,以及降低由亲水性官能团引起的水运输阻力,利用一步水热法制备了rGO-TiO2复合分散液,将TiO2负载于石墨烯表面的同时,获得适度还原的氧化石墨烯(rGO)。进一步利用一维的含氧官能化碳纳米管(oCNT)与rGO-TiO2间的结构协同构建出具有三维结构的石墨烯基功能层;通过一系列表征及分离测试证明,TiO2依靠化学及物理作用成功搭载于rGO表面,TiO2及oCNT被成功引入石墨烯层间,所制备石墨烯基膜具有更为立体的三维通道结构。     本课题基于所制备石墨烯基膜的化学结构,提出利用水分子作为二次软体支撑层,制得石墨烯基湿膜。系统地与相应的石墨烯基干膜对比,分析湿膜的微观结构变化,发现其具有更加明显的分层堆叠结构及更大的层间距,水通量和对小分子有机污染物甲基蓝(MB)的截留率均得到未曾报道过的大幅度提升,通量可达71 L·m-2·h-1·b ar-1,截留率均达99%以上。进一步探究了该石墨烯基湿膜对更小分子半径的甲基橙(MO)的截留率时,发现该石墨烯基湿膜同时兼具优异的吸附性能。根据膜的稳定性及静态吸附实验结果深入剖析了石墨烯基膜的分离筛分机制。     此外,基于膜结构的设计及膜分离过程,将具有优异导电性的石墨烯基膜用作分离膜,同时充当阳极端,以实现膜过程耦合电催化技术。其中TiO2不仅可作为插层粒子,还可充当电催化剂,通过膜分离耦合电催化赋予石墨烯基膜纳米通道电催化活性,使得无法依靠尺寸筛分截留的有机物被降解;有效的缓解了膜分离过程中通量和截留之间的不平衡。相比于未耦合电催化技术的分离,该石墨烯基分离膜耦合后对于有机污染的去除率提高52%以上;考察了不同电催化剂TiO2和oCNT含量的石墨烯基分离膜对电催化性能的影响,发现TiO2及oCNT均存在一个最优的加入量范围。
关键词/主题词
纳滤膜;石墨烯;三维通道;水热法;吸附性能;电催化活性
页数
116
出版日期
2020-09-25
学位授予单位
天津工业大学
学位年度
2019
学位
硕士
院系
材料工程
导师
王文一;田立斌
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