优先透有机物氧化石墨烯层叠膜的构筑与协同传质机理研究

“Trade-off” phenomenon is a key issue for preparation and application process of dense composite membrane. In order to solve this problem, the separation layer could be constructed with a mass transport channel, which has selective capability. In this application, graphene oxide was used as basic cell to form stacked membrane. The graphene oxide nanosheets were modified according to the separating mixtures, and then assembled with functional materials to form multilayer membrane. The layer spacing and functional materials can be controlled by changing the assembly conditions. Therefore, a mass transport channel can be formed to allow organic molecules pass through. Then, a membrane with high selectivity and permeability can be obtained. Meanwhile, the restricted effects of graphene oxide make the membrane suppress the excessive swelling of functional materials, which can improve the stability of the membrane. The variation of growth and structure of the graphene oxide stacked membrane on planar and non-planar porous support can be revealed by modern analytical tools. The interaction mechanism between functional graphene oxide, polymer in layer and organics to be separated will be investigated. The research could provide a new method for preparing composite membrane with facilitate mass transport channel.

致密复合膜在分离过程中的“Trade-off”现象是限制其发展的瓶颈，在保证分离层完整性的前提下构建具有选择分离性的促进传质通道为解决这一问题提供了新途径。本申请采用氧化石墨烯作为构筑基元，根据分离对象对其接枝改性，利用分子自组装技术将其与功能性材料进行层层组装，通过控制组装条件对氧化石墨烯的层间距及层间功能材料进行调控，从而构筑可供有机物优先快速通过的传质通道，实现同步提高选择性和渗透性的目的。同时，氧化石墨烯的限域作用可有效抑制层间功能材料的过度溶胀，从而提高多层膜的稳定性。本研究将借助现代分析手段揭示氧化石墨烯层叠膜在平面和非平面多孔支撑体上的生长及结构演变规律，并研究功能化氧化石墨烯、层间聚合物与分离有机物之间的分子作用机制，为同类具有限域传质通道复合膜的组装提供新思路。

膜技术在有机溶剂体系分离领域具有广阔的应用前景，但其在应用过程中选择性与渗透性博弈的Trade-off 现象是限制其发展的主要瓶颈。在保证分离层致密完整的前提下，构筑高效稳定的选择性传质通道为解决该问题提供了新策略，其中具有二维片层结构、丰富的功能化基团及良好机械强度的氧化石墨烯(GO)已成为极具潜力的构筑基元。.本项目以GO片上官能团为活性位点，利用静电作用、π-π共轭、配位作用及共价键等作用力完成了对GO片的功能化修饰，提高了其对有机小分子的亲和性及渗透性，继而突破了Trade-off 瓶颈，实现了较高性能的优先透甲醇、丁醇、芳烃等有机小分子的渗透汽化膜及纳滤膜的制备。主要研究成果如下：1）利用静电作用，以聚阳离子PDDA完成对GO的修饰并采用层层自组装法制得PDDA/GO多层复合膜，可用于有机溶剂中染料的脱除；2）利用溶剂绿与GO上非氧化区域的π-π共轭作用，完成对GO的改性，再与PDDA层层组装成膜，SG的引入明显提高了膜在有机溶剂纳滤过程中的通量；3）基于GO上含氧基团与过渡金属离子的配位作用，制得原位生长MOFs粒子改性GO片，提高了GO片层对有机小分子的亲和性及渗透性，在甲醇中染料脱除的纳滤过程及优先透丁醇的渗透汽化过程中表现出良好的分离性能；4）以GO片层羟基、羧基及环氧基为活性位点，通过一步法完成对GO片层的共价修饰，制得HMPA-GO复合膜，在甲基叔丁基醚/甲醇体系的渗透汽化过程中表现出良好的分离性能；5）探索了具有二维片层结构的Co(OH)2及CoAl-LDHs等材料在有机溶剂分离膜制备领域中的应用可行性。.以上的研究结果表明利用静电作用、π-π共轭、配位作用及共价键等作用力可完成对GO片层的改性，提高其对有机小分子的亲和性及渗透性，实现高性能优先透甲醇、丁醇、芳烃等小分子的有机溶剂分离膜的制备，拓展了有机溶剂分离膜材料体系及成膜方法。