基于氧化石墨烯与卟啉组装的纳滤膜制备与分离性能研究

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GO具有优异的机械性能,良好的抗氧化性以及较强的亲水性,使其结构规整的层状堆砌膜(GOLMs)在水处理方面有很大的应用潜力。但是,GOLMs水下会发生溶胀,导致GOLMs在水处理中只能拦截尺寸较大的有机分子,不能有效截留盐离子。本论文中,我们发展了一种卟啉交联GOLMs的方法,制备组装插层的GOLMs,实现高效的纳滤截盐。具体研究内容如下:  (1)研究阳离子卟啉TMPyP对GOLMs的插层。GO表面具有区域差异性,其包括非氧化区(G region)和氧化区(GO region)。组合UV-vis光谱、荧光光谱、zeta电位和AFM等手段,深入探讨了TMPyP在GO表面的组装。通过真空抽滤方法由TMPyP/GO复合物制得了TMPyP插层的GOLMs,使用XRD研究其水下稳定性,并考察了组装交联GOLMs的纳滤截盐性能。结果显示,TMPyP会优先组装在GO片层中低洼的未氧化区(G region),通过控制TMPyP的组装量,制得的GOLMs水下层间通道最小可达0.98 nm,能有效截留Na2SO4。  (2)探索中性氨基卟啉(TAPP)插层GOLMs的可行性,以获得表面电位保持的GOLMs。分别以UV-vis光谱和荧光光谱跟踪TAPP在纯水和DMSO/H2O混合体系中的质子化过程,探究TAPP阳离子带电荷量与环境pH的关系,结合DFT模拟判断TAPP各质子化程度对应的pH值。结果显示,纯水中pH为2.8时开始检查到TAPPH55+,如果期望体系质子化阳离子以TAPPH44+为主,其pH值必须小于2.8。然而GO溶胶在pH值大于3时才能稳定,无法通过pH值调控实现TAPP对GOLMs的精准插层。  (3)制备负电卟啉(TPPS)插层的GOLMs,以加强膜表面荷电性。分别使用UV-vis光谱、荧光光谱和稳定性实验跟踪组装过程,将TPPS和GO混合体系真空抽滤制得TPPS截留插层的GOLMs,使用XRD检测其水下稳定性,并考察了对应的纳滤截盐性能。结果显示,TPPS与GO在水中没有明显组装,TPPS插层的GOLMs水下稳定性也没有明显增强,也不能有效截留Na2SO4。  (4)通过研究rGO的表面结构,我们揭示了rGOLMs渗透通量明显高于GOLMs的本质原因。组合UV-vis光谱、荧光光谱、zeta电位和AFM等表征全面考察TMPyP与rGO的组装行为,研究rGO表面G region、GO region和还原区域(R region)的结构特点。将TMPyP/rGO复合体系抽滤制备TMPyP插层的rGOLMs,使用XRD表征其水下稳定性,通过错流装置测试纳滤性能。结果显示,R region的结构既表现出类似于G region有足够的凹陷空间,又表现出GO region那样的抗塌缩特定。因此,较之GOLMs,rGOLMs可以为水的快速渗透提供更多通道,提高纳滤渗透通量。
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