本文選題：氧化石墨烯層狀膜 + 多孔氧化石墨烯�。� 參考：《中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)》2017年碩士論文

【摘要】：氧化石墨烯(GO)作為單原子層厚度的新型二維納米材料,具有優(yōu)異的機械性能、超高的比表面積及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。氧化石墨烯層狀膜具有較好的水滲透能力及溶質(zhì)截留選擇性,是理想的分離膜材料,近年來,其在海水淡化、水/有機溶劑分離及氣體分離等領(lǐng)域的應(yīng)用研究引起了廣泛關(guān)注。正滲透技術(shù)是以半透膜兩側(cè)溶液的滲透壓差作為驅(qū)動力的新型膜分離技術(shù),相對傳統(tǒng)膜技術(shù)而言,具有低能耗、低膜污染、高回收率及零排放等優(yōu)點,是當前膜分離技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。然而,常規(guī)結(jié)構(gòu)的正滲透膜因受內(nèi)濃差極化及溶質(zhì)反向滲透等現(xiàn)象的影響,膜的水通量及分離效率顯著下降,這一技術(shù)難題限制了正滲透技術(shù)的實際應(yīng)用。因此,研究新型結(jié)構(gòu)的正滲透膜,降低內(nèi)濃差極化和溶質(zhì)反向滲透效應(yīng)對膜分離性能的影響,對正滲透技術(shù)的應(yīng)用推廣具有重要的意義。本論文將GO和多孔GO作為起始材料,通過真空抽濾-熱致交聯(lián)法,制備了不同結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯基正滲透膜,并系統(tǒng)地評價了其在正滲透過程中的分離性能。主要研究內(nèi)容包括以下兩個方面:其一,超薄無支撐氧化石墨烯層狀膜的制備及其在正滲透分離過程中的性能研究。通過真空抽濾-熱致交聯(lián)法制備得到厚度約1μm的超薄無支撐氧化石墨烯層狀(UFGOL)膜。經(jīng)化學(xué)結(jié)構(gòu)分析表明,膜內(nèi)GO片層與丙二酸發(fā)生了酯化交聯(lián)反應(yīng),并在熱處理過程中發(fā)生了部分還原;UFGOL膜的干、濕態(tài)XRD測試結(jié)果顯示,丙二酸的交聯(lián)作用有助于縮小氧化石墨烯層狀膜的層間距及提高在水溶液中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過正滲透分離性能測試得出,以2 mol L~(-1) Na Cl溶液作為汲取液,純水為料液時,UFGOL膜的水通量達35 L m~(-2)h~(-1),而對Na~+的返鹽率僅0.56 mol m~(-2)h~(-1)。通過對比發(fā)現(xiàn),帶有支撐層的氧化石墨烯層狀膜的水通量僅為13.4 L m~(-2)h~(-1),說明正滲透過程中的內(nèi)濃差極化效應(yīng)對UFGOL膜滲透性能的影響被大幅減弱。經(jīng)正滲透有機染料及重金屬離子溶液分離實驗發(fā)現(xiàn),UFGOL膜能夠完全截留有機染料分子(如甲基橙,羅丹明B)及重金屬離子(如Cu~(2+)),表現(xiàn)出較好的凈水性能。其二,輻照刻蝕法制備多孔氧化石墨烯,及多孔氧化石墨烯層狀復(fù)合膜的制備與正滲透分離性能研究。利用伽馬射線的輻解產(chǎn)物——HO·自由基在GO片層面內(nèi)及邊緣處的刻蝕反應(yīng),得到納米尺度、孔徑可控的多孔GO片層,并對HO·自由基的刻蝕行為和機理進行了深入分析,發(fā)現(xiàn)GO片層上的含氧基團是HO·自由基的主要進攻位點,刻蝕部位的C、O原子變成CO_2或CO,而形成孔洞結(jié)構(gòu),且可通過控制反應(yīng)體系的吸收劑量,調(diào)控片層面內(nèi)孔徑分布。以多孔GO為起始材料,通過真空抽濾-熱致交聯(lián)法制得多孔氧化石墨烯層狀復(fù)合(PGOLC)膜,接觸角及XRD測試結(jié)果表明,輻照刻蝕后得到的多孔GO制備的PGOLC膜的親水性得到提高,而丙二酸的酯化交聯(lián)作用能夠有效地減小復(fù)合膜在濕態(tài)條件下層間距的擴張,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。經(jīng)正滲透分離性能測試,以1 mol L~(-1)蔗糖溶液作為汲取液,超純水為料液,PGOLC膜的水通量高達34.7L m~(-2)h~(-1),而未經(jīng)刻蝕處理的氧化石墨烯層狀膜的水通量僅為14.2 L m~(-2)h~(-1)。經(jīng)正滲透有機染料羅丹明B溶液分離測試發(fā)現(xiàn),PGOLC膜的水通量可達21.7 L m~(-2)h~(-1),而未經(jīng)刻蝕處理的氧化石墨烯層狀膜降為6.7 L m~(-2)h~(-1),由此可見,以多孔GO制備的PGOLC膜的滲透性能遠優(yōu)于普通氧化石墨烯層狀膜。原因在于,多孔GO上的納米孔道為水分子的滲透提供了更多的縱向通道,縮短了層狀膜內(nèi)的傳遞路徑。本論文中,通過自組裝-熱致交聯(lián)法制備超薄無支撐氧化石墨烯層狀膜,有效地減弱了正滲透過程中內(nèi)濃差極化對層狀膜水通量的影響,為新型正滲透膜的研究提供了新的研究思路;同時利用輻射刻蝕法制備多孔GO,并以此制得具有更高滲透性能的多孔氧化石墨烯層狀復(fù)合膜,為制備高性能氧化石墨烯基正滲透膜的研究提供了新的技術(shù)路線。
[Abstract]:Graphene oxide (GO), a new two-dimensional nanomaterial with the thickness of the single atomic layer, has excellent mechanical properties, super high specific surface area and structural stability. The graphene oxide layered membrane has good water permeability and solute interception selectivity. It is an ideal separation membrane material. In recent years, it has been used in seawater desalination, water / organic solvent separation. The application of gas separation and other fields has attracted wide attention. The positive permeation technology is a new membrane separation technology using the osmotic pressure difference of the semi permeable membrane as the driving force. Compared with the traditional membrane technology, it has the advantages of low energy consumption, low membrane pollution, high recovery rate and zero emission. It is a hot topic in the field of membrane separation technology. However, the water flux and separation efficiency of the membrane are significantly reduced due to the effects of internal concentration polarization and reverse osmosis of the solute. This technical problem restricts the practical application of the positive osmosis technology. Therefore, the study of the new structure of the positive permeable membrane has been made to reduce the internal consistency and solute reverse osmosis effect to the membrane separation. The effect on the performance is of great significance to the application and popularization of the positive osmosis technology. In this paper, GO and porous GO are used as starting materials to prepare different structures of graphene based positive osmosis membranes by vacuum pumping and thermally induced crosslinking, and the separation performance in the positive permeation process is evaluated systematically. The main contents include the following The two aspects: first, the preparation of ultrathin non supporting graphene oxide lamellar membrane and its performance in the process of positive osmosis separation. The ultrathin non supporting graphene oxide layered (UFGOL) films with thickness about 1 m were prepared by vacuum pumping thermal crosslinking method. The chemical structure analysis showed that the GO lamellar layer in the membrane was esterified with malonic acid. A partial reduction was made in the process of heat treatment, and the dry and wet XRD test results of UFGOL film show that the crosslinking effect of malonic acid helps to reduce the interlayer spacing of the graphene oxide layered film and improve the structural stability in aqueous solution. Through the test of positive permeability separation performance, 2 mol L~ (-1) Na Cl solution is used as a drawing solution. When pure water is a liquid, the water flux of UFGOL film reaches 35 L m~ (-2) h~ (-1), while the rate of return to Na~+ is only 0.56 mol m~ (-2) h~ (-1). By contrast, the water flux of the layered film with the supporting layer is only 13.4. It is found that the UFGOL membrane can completely intercept the organic dye molecules (such as methyl orange, Luo Danming B) and heavy metal ions (such as Cu~ (2+)) through the separation of positive osmosis organic dyes and heavy metal ions. Second, the preparation of porous oxide graphene by irradiation etching and the preparation of porous graphite oxide layered composite film Study on the separation performance of the preparation and the positive osmosis. Using the etching reaction of the gamma ray radiolysis product, HO free radical in the GO slice and the edge, the porous GO lamellae with nano scale and controllable pore size are obtained. The etching behavior and mechanism of the HO free radical are deeply analyzed. It is found that the oxygen group on the GO layer is the master of the HO free radical. In order to attack the site, the C of the etching site, O atom becomes CO_2 or CO, and the pore structure is formed, and the pore size distribution in the slice can be controlled by controlling the absorbed dose of the reaction system. Porous GO is used as the starting material to obtain the porous graphite oxide layered composite (PGOLC) film by vacuum pumping thermal crosslinking method. The contact angle and the XRD test results show that the porous GO is the starting material. The hydrophilicity of the PGOLC film prepared by the porous GO after irradiation is improved, and the esterification and crosslinking of malonic acid can effectively reduce the expansion of the interlayer spacing under the wet condition and improve the structural stability. The 1 mol L~ (-1) sucrose solution is used as the drawing liquid through the positive permeation separation performance test, and the super pure water is the liquid and PGOLC film. The water flux is as high as 34.7L m~ (-2) h~ (-1), while the water flux of the untreated graphene oxide layer membrane is only 14.2 L m~ (-2) h~ (-1). It is found that the water flux of the PGOLC membrane is up to 21.7. The water flux in the Luo Danming B solution of the positive osmosis organic dye is found to be up to 6.7 It can be seen that the permeability of PGOLC films prepared with porous GO is much better than that of the ordinary graphene oxide lamellar membrane. The reason is that the nano pore on the porous GO provides more longitudinal channels for the permeation of water molecules and shortens the transmission path in the layered membrane. In this paper, the self assembly and thermally induced crosslinking method is used to prepare the ultra-thin and unsupported oxidation. Graphene layered film effectively weakens the influence of internal consistency polarization on the water flux of layered membrane during the process of positive infiltration. It provides a new research idea for the study of new type of positive permeable membrane. At the same time, the porous GO is prepared by radiation etching, and the porous multi porous graphite oxide layered composite membrane with higher permeability is prepared to prepare high performance. The study of graphene oxide based permeable membranes provides a new technological route.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ051.893

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本文編號：1997941