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用于过滤有机溶剂纳米尺寸粒子的还原氧化石墨烯OSN膜
《纳米功能材料》微信 / 时间:2017-11-09 11:04:34

  据纳米功能材料微信公众平台2017年10月15日讯 在化工和制药工程领域,通常需要将产品从有机媒介中净化并提取。但传统的分离和纯化技术存在许多问题,比如蒸发和蒸馏。它们通常需要大量的能源且占据较大的操作空间,整个过程中将会消耗大量的成本。相比之下,低成本的膜分离技术的出现取得了较大突破。但就实际运用来讲,目前商用的有机溶剂纳滤(OrganicSolventNanofiltration,OSN)膜仍然存在渗透选择性低、稳定性差的问题。所以比较理想的状态就是,在保证膜力学性和稳定性的前提下,能够较好提高OSN膜的渗透选择性。
  针对上述问题,该课题组通过在市售微滤膜上沉积超薄的溶剂化还原氧化石墨烯(S-rGO),抽滤得到一种仅为18nm厚的高通量OSN膜。在该薄膜上,丙酮的通量可以达到215 L m-2 h-1 bar,并且该滤膜在多种有机溶剂以及强酸、强碱和氧化介质中都能保持稳定。由于得到的薄膜显示负电,因此对于带负电的分子具有较好的排斥作用(如图1)。


图1

图1


  S-rGO对负电荷的分子具有排斥作用,在此基础上,将OSN膜表面修饰上带正电的高分子(HPEI)后,得到HPEI/S-rGO,该薄膜对正电荷分子具有排斥作用。从过滤溶液中分子尺寸来说,大于通道孔隙的分子也会被阻挡在外,从以上几个方面实现溶液分子分离的功能。文章以膜厚度为18nm的材料进行了分离功能举例,具体如表1。


表1

表1


  文章也对S-rGO-18复合物薄膜稳定性(耐久性、机械稳定性)进行检测。将该膜放入0.5 M H2SO4,0.5M KOH,0.5M HNO3中浸泡一天,它仍然能保证膜的完整性及优异的选择性能,如图2。


图2

图2


  文章还对抽滤得到的膜和冻干后还原的膜进行渗透性能的对比。作者强调了是抽滤形成的溶剂化结构对性能提高起到了重要作用。此外,研究了影响分离性能的三个关键因素:溶液粘度、膜厚度、抽膜施加压力等。
  总之,通过抽滤沉积的方法,该课题组成功制备了一种基于S-rGO的高性能OSN膜。它对带电的小分子物质以及大尺寸分子具有选择性。该膜在强酸、强碱、有机等各种环境中都能保持很好的稳定性和选择性,这将在实际运用中具有巨大的潜能。