本文選題：氧化石墨烯　切入點：傳質　出處：《清華大學》2016年博士論文

【摘要】：清潔淡水資源的日益短缺與污染使近年來薄膜過濾與分離技術得到飛速發(fā)展。納米技術在新材料領域取得的巨大進步為開發(fā)下一代組成與結構、過濾與分離性能可精確調控的功能薄膜提供了可能。其中以碳納米管、石墨烯及其衍生物為代表的新型納米碳材料的研究與發(fā)展最為迅速。本論文工作采用改進的Hummers方法及液相剝離法合成了單層氧化石墨烯納米片。通過多種液相成膜技術(例如:滴加溶液法、真空抽濾法)制備了氧化石墨烯薄膜。研究了其選擇性傳質機制及過濾、分離性能。系統(tǒng)研究了氧化石墨烯薄膜的選擇傳質特性及機制。結果表明,液態(tài)水在氧化石墨烯薄膜的納米毛細管通道中可超快速傳輸,擴散率比體相擴散提升約5個數(shù)量級,為氧化石墨烯薄膜在液相傳質領域的應用奠定了基礎。另外,氧化石墨烯薄膜對水溶液中一系列溶質分子與離子具有選擇滲透性。提出并通過第一性原理計算模擬和實驗證明了作用機制。氧化石墨烯薄膜的選擇傳質特性可用于膜分離,在污水處理與再利用及鋼鐵工業(yè)鐵基廢電解液中的高純酸提取等領域具有應用前景。將層狀雙氫氧化物納米片均勻插入氧化石墨烯薄膜層間,實現(xiàn)了不同種類納米片異質超晶格復合薄膜的制備。研究了其離子傳輸特性,發(fā)現(xiàn)不同價態(tài)金屬陽離子嚴格據(jù)其電荷數(shù)被有效分離,不受陰陽離子種類的影響。該復合薄膜的電荷驅動離子分離特性在污水處理與再利用、化工精煉及仿生選擇性離子傳輸?shù)阮I域具有應用潛力。研究了氧化石墨烯薄膜的水脫鹽特性。結果表明,在濃度梯度驅動擴散過程中,氧化石墨烯薄膜具有較高的本征水/離子選擇度,而在壓力驅動過濾過程中,其脫鹽率(即水/離子選擇度)極低。通過實驗和分子動力學計算模擬證實這一矛盾結果源于水/離子選擇度與氧化石墨烯薄膜中納米通道長度及外加壓力間的強關聯(lián)性。該結果為優(yōu)化氧化石墨烯薄膜在水脫鹽領域的應用奠定了基礎。為進一步提升氧化石墨烯薄膜的水脫鹽性能,將氧化鈦納米片均勻插入其層間,輔以紫外光催化還原,所得還原氧化石墨烯/氧化鈦復合薄膜相比于未還原的情況,水通量保持60%,而鹽通量降低至5%,在海水淡化領域具有應用前景。
[Abstract]:The technology of membrane filtration and separation has been developed rapidly in recent years due to the shortage and pollution of clean freshwater resources.The great progress made by nanotechnology in the field of new materials makes it possible to develop the next-generation functional films whose composition and structure, filtration and separation properties can be accurately regulated.Among them, carbon nanotubes, graphene and their derivatives are the most rapid research and development of new nano carbon materials.In this paper, graphene monolayers were synthesized by improved Hummers method and liquid phase stripping method.Graphene oxide films were prepared by a variety of liquid film forming techniques, such as dripping solution method and vacuum filtration method.The selective mass transfer mechanism, filtration and separation performance were studied.The selective mass transfer characteristics and mechanism of graphene oxide films were systematically studied.The results show that liquid water can be transported rapidly in the nano-capillary channel of graphene oxide film, and the diffusivity is about 5 orders of magnitude higher than that of bulk phase diffusion, which lays a foundation for the application of graphene oxide film in liquid phase mass transfer.In addition, graphene oxide films have selective permeability to a series of solute molecules and ions in aqueous solution.The mechanism is proved by first principle calculation, simulation and experiment.The selective mass transfer characteristics of graphene oxide films can be used in membrane separation and have a promising application in wastewater treatment and reuse and high purity acid extraction from iron based waste electrolyte in iron and steel industry.The layered double hydroxide nanostructures were uniformly inserted into the interlayer of graphene oxide films, and the heterostructure superlattice composite films of different kinds of nanostructures were prepared.The ion transport characteristics of metal cations with different valence states are studied. It is found that metal cations with different valence states are effectively separated according to their charge number and are not affected by the kinds of anions.The charge-driven ion separation characteristics of the composite film have potential applications in wastewater treatment and reuse, chemical refining and bionic selective ion transport.The characteristics of water desalting of graphene oxide films were studied.The results show that graphene oxide films have high intrinsic water / ion selectivity in the process of concentration gradient driven diffusion, but the desalinization rate (i.e. water / ion selectivity) is very low in the pressure driven filtration process.The results of experiments and molecular dynamics simulations show that this contradiction results from the strong correlation between the water / ion selectivity and the length of nanochannels and the applied pressure in graphene oxide films.The results laid a foundation for optimizing the application of graphene oxide film in the field of water desalination.In order to further improve the water desalting performance of graphene oxide films, titanium oxide nanocrystals were inserted into their layers uniformly and reduced by UV photocatalytic reduction. The results showed that the reduction of graphene oxide / titanium oxide composite films was compared with that of unreduced films.The water flux is kept at 60 and the salt flux is reduced to 5, which is promising in the field of seawater desalination.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TB383.2

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本文編號：1693160