發(fā)布時間：2020-11-21 14:34

　　 石墨烯的二維致密結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的選擇分離性能。利用氧化石墨烯及其衍生物(rGO)表面缺陷和層間間隙可構(gòu)建出納米級水運輸通道,并篩分比通道尺寸大的物質(zhì),只允許比通道尺寸小的物質(zhì)通過。但狹窄的納米通道以及通道中的親水官能團會阻礙水分子的傳輸,對水的滲透形成很大的傳輸阻力,相應(yīng)的水通量受到了極大的限制,是當前制約分離膜性能的主要瓶頸。本課題期望通過對石墨基膜分離傳質(zhì)機理的深入研究,設(shè)計并構(gòu)建出具有立體三維傳輸孔通道的石墨烯基納濾膜,以獲得優(yōu)異的水通量,同時保持其優(yōu)異的選擇性;并對其膜過程深入研究,通過探索膜過程與電催化協(xié)同耦合技術(shù),賦予膜通道電催化活性,實現(xiàn)功能設(shè)計。為擴展石墨烯基分離膜中石墨烯片層間的層間距獲得更寬的納米水通道,以及降低由親水性官能團引起的水運輸阻力,利用一步水熱法制備了rGO-TiO2復合分散液,將TiO2負載于石墨烯表面的同時,獲得適度還原的氧化石墨烯(rGO)。進一步利用一維的含氧官能化碳納米管(oCNT)與rGO-TiO2間的結(jié)構(gòu)協(xié)同構(gòu)建出具有三維結(jié)構(gòu)的石墨烯基功能層;通過一系列表征及分離測試證明,TiO2依靠化學及物理作用成功搭載于rGO表面,TiO2及oCNT被成功引入石墨烯層間,所制備石墨烯基膜具有更為立體的三維通道結(jié)構(gòu)。本課題基于所制備石墨烯基膜的化學結(jié)構(gòu),提出利用水分子作為二次軟體支撐層,制得石墨烯基濕膜。系統(tǒng)地與相應(yīng)的石墨烯基千膜對比,分析濕膜的微觀結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)其具有更加明顯的分層堆疊結(jié)構(gòu)及更大的層間距,水通量和對小分子有機污染物甲基藍(MB)的截留率均得到未曾報道過的大幅度提升,通量可達71 L.m-2·h-1·bar-1,截留率均達99%以上。進一步探究了該石墨烯基濕膜對更小分子半徑的甲基橙(MO)的截留率時,發(fā)現(xiàn)該石墨烯基濕膜同時兼具優(yōu)異的吸附性能。根據(jù)膜的穩(wěn)定性及靜態(tài)吸附實驗結(jié)果深入剖析了石墨烯基膜的分離篩分機制。此外,基于膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計及膜分離過程,將具有優(yōu)異導電性的石墨烯基膜用作分離膜,同時充當陽極端,以實現(xiàn)膜過程耦合電催化技術(shù)。其中TiO2不僅可作為插層粒子,還可充當電催化劑,通過膜分離耦合電催化賦予石墨烯基膜納米通道電催化活性,使得無法依靠尺寸篩分截留的有機物被降解;有效的緩解了膜分離過程中通量和截留之間的不平衡。相比于未耦合電催化技術(shù)的分離,該石墨烯基分離膜耦合后對于有機污染的去除率提高52%以上;考察了不同電催化劑TiO2和oCNT含量的石墨烯基分離膜對電催化性能的影響,發(fā)現(xiàn)TiO2及oCNT均存在一個最優(yōu)的加入量范圍。
【學位單位】：天津工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TQ051.893
【部分圖文】：

分離膜充當分隔兩相的界面阻擋層，視為分隔兩相的不連續(xù)區(qū)間，??可為固相、氣相或液相中的一種，可以以特定的形式在兩相截面間限制和傳遞特??定的化學物質(zhì)，如圖１－３所示。膜分離技術(shù)的核心在于分離膜的制備，依靠分離??膜本征的選擇滲透性，對混合物中溶質(zhì)或溶劑進行分離、提純、富集或分級。就??

與傳統(tǒng)過濾方式不同，膜分離技術(shù)可以在分子級別范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的物質(zhì)分??離，這一過程大多以物理作用為主，無相的變化或添加助劑。當分離不同分子半??徑的混合物時，膜分離過程及傳遞化學物質(zhì)的推動力等都是不同的。如圖１－４，??用于水凈化或脫鹽的幾種典型的膜過程在很大程度上是基于所分離的溶質(zhì)尺寸??的不同而區(qū)分，主要包括微濾（ＭＦ），超濾（ＵＦ），納濾（ＮＦ），反滲透（Ｒ０）??及正向滲透（Ｆ０）的過程，不同的膜分離過程應(yīng)用于分離不同的物質(zhì)。如ＭＦ膜??的主要功能是去除懸浮顆粒和微生物病原體；ＵＦ膜設(shè)計用于保留大分子，如天??然有機物質(zhì)，以及較小的病原，ＵＦ膜的截留分子量在約５－５００ｋＤａ之間。ＭＦ和??ＵＦ膜是多孔的？，而ＮＦ膜可以有效地去除水中鈣或鎂等離子，避免水垢的形成，??可適當?shù)亟档退�中鹽度；且依靠不同的傳質(zhì)機制對分子質(zhì)量較小的有機物質(zhì)進行??分離。根據(jù)具體的納濾膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，其分離機制可為基于篩分和溶液擴散機制的??組合。Ｒ０和Ｆ０膜設(shè)計用于脫鹽，目前的ＲＯ和ＦＯ膜是無孔的，可除去分子量??大于約ｌＯＯＤａ的不帶電溶質(zhì)及幾乎所有離子

混合物的分離，其孔徑范圍大致為０．０５？２０＾ｍ。微濾膜分離技術(shù)是從常規(guī)的粗?＿??濾過渡到精密篩分的膜過程，可排除比孔徑大的物質(zhì)。此外，微濾膜分離也可通??過膜內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對顆粒物質(zhì)物起到截留或吸附作用，如圖１－５所示。目前，??認為微濾分離膜技術(shù)的截留機制大致包括：孔道尺寸篩分的機械截留，物理吸附??或電性能影響，由入口處的截留物質(zhì)引起的架橋作用，以及網(wǎng)絡(luò)型膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部??截留作用。??｜機械截留?吸附截留架橋截留?４?Ｘ／ｊ?＾?＾??膜表面層的截留?（ｂ）膜內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的截留??圖１－５微濾膜截留分離機制的示意圖［３２］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?＂??超濾膜分離￥介于微濾和納濾分離之間，亦是在壓力作用趨動下實現(xiàn)的篩孔??分離過程，孔徑范圍約ｌｎｍ？０．０５｜ｉｍ。一般認為超濾分離過程是由篩孔分離主導??的過程，即當含有不同分子半徑的溶質(zhì)的溶液流過ＵＦ膜表面時，在壓力的驅(qū)動??６??
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本文編號：2893144