基于二维杂化材料制备及用于染料/盐分离的高性能复合膜研究

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二维片层材料,如石墨烯、氮化硼(BN)、二硫化钼(MoS2)等,具有独特的物化性能及原子尺寸的厚度,引起了持续的研究和探索。而基于二维材料的杂化复合材料不仅增强了材料本身的性能,同时也获得了综合性能优于原组成材料的新性能。受此思路的启发,本文分别将二维片层材料与一维、二维材料结合制备复合材料,并对材料的结构性质进行分析,后用简单压滤的制膜方式将复合材料固定在有机膜表面制得复合膜,以期发挥复合材料的协同优势而使膜具有高通量和良好的染料截留性能。本文的主要研究内容如下:(1)通过聚苯乙烯磺酸钠(PSS)对埃洛石纳米管(HNTs)进行表面改性,改性后的HNTs(mHNTs)含有磺酸根基团(O2SO-),该官能团能和二维金属有机骨架-L(ZIF-L)中的锌离子发生配位结合。采用原位生长的方法,将ZIF-L纳米片在mHNTs的表面成核结晶,随着ZIF-L晶体的生长形成“叶包管”的形貌结构,即为一维二维结合的mHNTs/ZIF-L纳米复合材料。采用简单压滤的制膜方法将mHNTs/ZIF-L负载在预处理过的聚丙烯腈(PAN)膜表面,制得mHNTs/ZIF-L复合膜。对制得的纳米复合材料和复合膜进行了一系列结构形貌和物化性能表征,结果表明,制备的mHNTs/ZIF-L仍然保留了ZIF-L的形貌结构和热稳定性,且mHNTs/ZIF-L的比表面积远高于mHNTs与ZIF-L两者的比表面积。与此同时,mHNTs/ZIF-L复合膜在具有高染料截留率(>99%)和低的盐截留率(<30%)的同时,渗透通量(146.8 L m-2 h-1 MPa-1)也得到了明显的提高。此外,良好的操作稳定性和优异的抗菌活性也让其在染料/盐分离方面更具竞争优势。(2)对于两种二维材料的结合,采用的是氧化石墨烯(GO)和共价有机骨架(COF-1)纳米片。通过共价结合的方式,使COF-1在GO表面原位结晶生长,即得GO/COF-1纳米复合材料。这样的结合方式可以让COF-1的分散性得到显著改善,同时也可以增大GO的原始层间距。将GO/COF-1纳米复合材料通过压滤的方式负载于PAN膜表面,制得GO/COF-1复合膜。对制备的GO/COF-1纳米复合材料和GO/COF-1复合膜进行了一系列的表征。结果表明,GO/COF-1保留了COF-1的晶型结构,同时GO片层间距也有所增大。GO/COF-1膜的渗透性能高达310.9 L m-2 h-1 MPa-1,对盐离子的截留均低于20%,而对刚果红、甲基蓝、活性黑、直接红、铬黑-T五种染料的截留高达98%。同时GO/COF-1膜具有优异的运行稳定性和机械稳定性,这些特征表明GO/COF-1膜适用于染料废水中染料和盐的分离。
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