不同尺寸氧化石墨烯掺杂制备超薄自支撑正渗透膜

Separation technology based on forward osmosis (FO) membrane is a high effective and low pollution technology for separation. The separation materials are the key of the FO technology. Traditional FO materials are comprised with active layer and supporting layer, which enable the membrane good mechanical stability. However, the multilayer structure results in large membrane thickness that limits the increase of flux. Moreover, the existence of supporting layer results in internal concentration polarization (ICP), which has not been solved yet. In this project, for the first time, graphene oxide (GO) is introduced into cellulose triacetate (CTA) by means of phase inversion. A series of self-supporting membranes with thickness less than twenty micrometers are produced, in order to elevate the flux. Owing to the exceptional mechanical properties and toughness of GO, the mechanical properties of GO/CTA membrane could be improved to meet the requirement for usage. The absence of individual supporting layer of the GO/CTA membrane could largely reduce the effect of ICP. The abundant hydrophilic groups on GO could also be helpful for the increase of permeation property. According to the investigations on the influences of the graphene size and incorporation amount on the above properties, the optimal graphene size and incorporation amount are determined. The effects of the membrane thickness on the mechanical and permeation properties are further revealed. From this study, a theoretical basis and the corresponding technical parameters are established for the development of high performance ultrathin self-supporting FO nanocomposite membranes.

正渗透膜分离技术是一种高效、低污染的技术。其中，过滤材料是正渗透膜技术的核心。传统的正渗透膜材料多采用活性层与支撑层结合的复合结构，性能稳定，机械性能良好，但膜整体厚度较大，大大限制了膜通量的提升。并且，独立支撑层存在所带来的内浓差极化问题仍未很好解决。本课题首次通过氧化石墨烯掺杂三醋酸纤维素，采用相转变技术制备膜整体厚度小于20微米的超薄自支撑正渗透膜，大幅提高膜的通量。利用氧化石墨烯优异的机械性能和韧性，满足超薄化正渗透膜的使用强度，取代传统的含有独立支撑层的多层膜结构，达到降低内浓差极化影响的目的。利用氧化石墨烯表面丰富的亲水性基团，提高正渗透膜的渗透性能。通过研究氧化石墨烯不同尺寸结构、掺杂量对于上述性能的影响与作用机理，确定性能最优的氧化石墨烯尺寸和掺杂量。并进一步揭示膜厚度与机械性能和渗透性能的关系。为制备具有综合优异性能的超薄自支撑纳米复合正渗透膜材料提供理论基础和技术支撑。

正渗透膜分离技术是一种高效、低污染的技术。其中，过滤材料是正渗透膜技术的核心。传统的正渗透膜材料通常含有聚酯筛网或者无纺布作为增强织物的支撑层，性能稳定，机械性能良好，但膜整体厚度较大，大大限制了膜通量的提升。本项目通过氧化石墨烯（GO）掺杂三醋酸纤维素(CTA)，采用相转变技术制备了超薄自支撑正渗透膜，大幅提高膜的通量。研究并确定了复合膜的制备工艺参数，得到了形貌结构和性能稳定的超薄正渗透膜，掌握了膜制备工艺、膜结构和膜性能的相互关系与作用机理。研究发现，随着GO含量增加，膜表面的粗糙度增加，膜内部呈现出类似层状岩石的内壁结构。膜的接触角逐渐降低，表明GO的加入提高了膜表面的亲水性。在渗透性能方面，自支撑CTA膜的水通量（10.95LMH）相比商业化的CTA膜（6.03LMH）提高了82%；而GO的加入能够进一步提升自支撑CTA膜的水通量，当添加0.6wt%的平均片径约为2微米的GO时，复合膜的通量达到了最优的18.43LMH（0.5 M NaCl作为汲取液），反向盐通量与水通量的比值仅为0.22g/L。另一方面，GO的加入也提高了自支撑膜的机械性能，使得膜在无增强织物支撑层的情况下也能保持良好的力学性能和稳定性。测试发现，GO的加入可使自支撑CTA膜的强度提高约84%，达到42.8MPa, 模量提高约136%，达到1.18GPa。此外，GO/CTA膜还表现出优异的抑菌性能，将大肠杆菌作为污染物在膜表面进行培养生长，在无GO加入的纯CTA膜表面形成了18.5微米厚的生物膜，而GO/CTA复合膜则能有效抑制大肠杆菌在其表面生长，随着GO含量增加，生物膜厚度不断降低，最终仅为4微米厚。综上所述，GO能够有效地提高CTA膜的渗透性能、机械性能和抗菌性能。但是不同尺寸的GO对正渗透膜性能的影响不明显，在添加高浓度的大尺寸氧化石墨烯的情况下，正渗透膜的性能相比于中小尺寸GO掺杂的正渗透膜反而有所降低。可能是由于大尺寸的GO破坏了CTA膜中原有的多孔结构以及孔径分布所造成的。该研究创新性地制备了无增强织物的超薄自支撑CTA正渗透膜，大幅降低膜厚度和对水的阻力，为超薄膜材料的开发提供了新思路。将纳米材料与传统材料结合，利用GO的特性，实现单一纳米粒子对于膜三大核心性能的同时提升，为制备综合性能优异的正渗透膜提供了重要理论依据和相关技术参数，具有重要的科学意义和应用前景。.