碳纳米材料聚砜复合超滤膜合成-结构-性能关系研究

Polymeric ultrafiltration membranes are gaining increasing applications in wastewater reuse. They are however being flawed by a trade-off effect between permeability and selectivity, and high fouling tendency due to surface hydrophobicity. A great number of recent research has shown that nanotechnology has the potential to largely mitigate, if not eradicate, those shortcomings. While most research has focused on the development and use of new nanomaterials, there exist three knowledge gaps that need to be bridged: (1) the pathways and mechanisms of adding nanomaterials leading to changes of membrane structure and eventual performance; (2) key structural factors that determine the performance of the nanocomposite membranes; (3) rejection mechanism(s) of various contaminants impacted by new surface properties and nanomaterials. To bridge the knowledge gaps, this project will synthesize, characterize, and evaluate polysulfone ultrafiltration nanocomposite membranes that are impregnated with carbon nanotubes or graphene oxide of systematically varied properties and quantities. This project aims at revealing how carbon nanomaterials affect the polymeric membrane structure and performance, and establishing the long needed “synthesis-structure-performance” relationships. The project outcomes are expected to have lasting impacts on the design and fabrication of nanocomposite membranes that are suitable for wastewater reuse and advanced water treatment.

有机超滤膜在污水深度处理等领域得到越来越多的应用，但其选择性与渗透性之间存在“上限平衡”效应，且亲水性差容易造成膜污染。已有的众多研究表明利用纳米技术对有机膜进行改性可望突破上述缺陷。但大部分已有研究都关注于新纳米材料的应用，而忽略了以下的基础科学问题：（1）纳米材料对超滤膜结构以及最终性能的影响途径和机制;（2）决定复合膜性能的关键性结构因素；（3）膜表面孔径、电荷、纳米材料吸附等（复合）因素对不同特点污染物的截留机制等。针对上述研究空白，本课题将用直接共混法合成碳纳米材料聚砜复合超滤膜，通过调控添加的碳纳米管或氧化石墨烯的性质和数量，测定合成过程的各种参数，表征复合膜的结构和性能，揭示碳纳米材料添加影响有机超滤膜结构和性能的途径和机制，建立对纳米复合膜“合成-结构-性能”联系的系统性认识。本课题的研究成果将为设计污水回用和水深度处理适用的纳米复合膜提供科学指导。

有机超滤膜在污水深度处理等领域得到越来越多的应用，但其选择性与渗透性之间存在“上限平衡”效应，且亲水性差容易造成膜污染。已有的众多研究表明利用纳米技术对有机膜进行改性可望突破上述缺陷。本课题采用直接共混法合成碳纳米材料聚砜复合超滤膜，通过调控添加的碳纳米管、氧化石墨烯以及羟基化富勒烯等碳纳米材料的性质和数量，测定成膜过程的各种参数，系统表征复合膜的结构和性能，从而揭示碳纳米材料添加影响有机超滤膜结构和性能的途径和机制。对比氧化石墨烯和羧基化碳纳米管作为纳米添加剂对聚砜超滤膜“制备-结构-性能”关系的影响，其中重点分析了对成膜过程及截留机理的影响。在相转化成膜过程中，除热力学和流变学因素之外，存在另一个重要因素，即与纳米材料性质相关的形态学因素。该因素具体体现在相转化过程中，由于羧基化碳纳米管的空心结构及其团聚所带来的空隙，加快了溶剂和非溶剂之间的交换，从而缩短了碳纳米管滤膜的成膜时间，并增大了膜的孔径。此外，详细揭示了添加碳纳米材料对截留机理的影响。少量添加羧基化碳纳米管或氧化石墨烯提高了聚砜超滤膜的水通量及其对带负电溶质的截留率。本项目也首次对羟基化富勒烯作为纳米添加剂所制备的纳米复合膜的结构和分离性能进行了系统研究。在低添加量（1.5%）的情况下，纳米复合膜的结构、通量、抗污染和力学性能都有较大的提升。其影响途径和机制与其它碳纳米材料如氧化石墨烯、碳纳米管等相似。整理和提取了超过120篇纳米复合膜的文献数据，并对数据进行了元分析。通过数据分析，得出了各纳米材料的最优添加量，量化了对通量和截留的影响程度；并且依据统计学方法进一步分析了各种结构参数和分离性能参数之间的相关性，确定了制备高性能纳米复合膜的关键结构参数，并在此基础上对影响机理进行了深入讨论，并对纳米复合膜的发展进行了展望。本课题的研究成果为设计污水回用和水深度处理适用的纳米复合膜提供了科学指导。