氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合超滤膜的制备、调控及分离性能研究

论文摘要

全球水资源短缺和水污染问题日益严重,如何通过现有的技术,利用非常规水源来增加水资源的供应成为研究的一个重要议题。以压力为驱动力的膜分离技术在海水脱盐、饮用水深度处理、水体微污染去除等领域具有广泛的应用前景。本论文介绍了不同膜分离材料的特点及改性方法,并着重评述了氧化石墨烯基膜材料的性质、构建方法及其在水处理中的应用。针对现存膜材料渗透性、选择性相互制约,无法依据外界环境做出响应等问题,本论文以氧化石墨烯（GO）和聚乙烯亚胺（PEI）为基础材料,通过不同的组装方法来调控氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的表面性质和内部结构,构建了一系列氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜分离材料,并以蛋白质、微生物、有机大分子和纳米颗粒作为模型污染物,系统地研究了其表面性质和内部结构对污染物分离性能的影响,探讨了污染物与膜界面的相互作用机理,并建立了氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜表面性质、内部结构与污染物分离性能之间的构效关系。研究结果为氧化石墨烯基膜材料的设计和构建以及在水处理领域的应用提供了新的思路。论文的主要结论与创新点如下:（1）发现氧化石墨烯-聚乙烯亚胺添加剂的添加可以有序调控膜的表面性质和内部结构,提升对污染物的分离性能,阐明了氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的性质、结构与分离性能之间的构效关系。通过氧化石墨烯与聚乙烯亚胺之间的共价化学交联制备了带正电且高度亲水的GO-PEI,随后以GO-PEI为添加剂、聚醚砜（PES）为成膜基质,制备了表面性质和内部结构可控的氧化石墨烯基-聚乙烯亚胺荷电纳米复合膜（NCM）。PES中的苯环与GO-PEI的芳环结构之间的π-π相互作用使得GO-PEI在膜中均匀分散,并且在实际应用中保持稳定,不会流失。研究发现GO-PEI的添加不仅可以提升膜表面的亲水性、调控其表面电位,还可以调控其内部结构,增大孔径、提升孔隙率。在蛋白质的过滤过程中,NCM在保持截留性能不变的前提下显著提升了水通量,表现出高渗透性和高选择性。同时GO-PEI亲水性和带电官能团之间的协同作用在NCM表面形成致密的水化层,在过滤过程中表现出优异的抗污染性能。上述结果表明使用GO-PEI添加剂可以有序的调控NCM的表面性质和内部结构,提升对污染物的分离性能。（2）探讨了层层自组装氧化石墨烯和聚乙烯亚胺对复合膜表面性质和内部结构的调控,阐明了氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的pH响应特性及作用机理。通过在基质膜表面交替沉积带负电的氧化石墨烯和带正电的聚乙烯亚胺,成功制备了具有pH响应特性的氧化石墨烯膜（GPM）。以原位AFM为探测手段,对GPM的内部结构进行分析,发现PEI分子不仅可以通过酰胺键交联氧化石墨烯片层,使GPM在强酸、强碱环境中保持稳定;同时还可以依据环境pH值可逆地改变其分子构象,即随着pH值的降低,PEI链上的氨基质子化,使PEI链处于伸展状态,从而增大了 GPM的层间距。由于PEI分子构象的变化是可逆的,因此GPM内部结构随pH变化过程也具有可逆性。通过测定GPM在不同pH下的水通量发现,GPM的渗透性能随进水pH值的增加而降低,且具有可逆性和优异的循环性。对污染物的截留实验进一步说明GPM的通量变化是由于孔径变化引起的,因此调节进水pH可以实现对GPM孔径的连续调控,并用于聚乙烯吡络烷酮（PVP）和聚乙烯醇（PEO）混合物的分离。上述结果说明通过简单的调节进水pH值,GPM可以实现对污染物的分离,在水处理领域具有潜在的应用价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略表
• 第一章 氧化石墨烯基膜及其在水处理中应用的研究进展
•   1.1 引言
•   1.2 膜分离技术
•     1.2.1 膜分离过程
•     1.2.2 膜分离材料
•   1.3 氧化石墨烯膜的性质
•     1.3.1 氧化石墨烯的结构和性质
•     1.3.2 氧化石墨烯膜的性质
•   1.4 氧化石墨烯膜的构建
•     1.4.1 氧化石墨烯基膜（GOM）的制备及改性
•     1.4.2 氧化石墨烯纳米复合膜（NCM）的制备
•   1.5 氧化石墨烯膜在水处理中的应用
•     1.5.1 海水淡化
•     1.5.2 油水分离
•     1.5.3 污水净化
•   1.6 问题提出及研究思路
• 第二章 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的制备及对污染物的分离性能
•   2.1 实验部分
•     2.1.1 实验材料与仪器
•     2.1.2 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺添加剂的制备与表征
•     2.1.3 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的制备
•     2.1.4 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的表征
•     2.1.5 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的动态过滤实验
•     2.1.6 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的静态吸附实验
•   2.2 结果与讨论
•     2.2.1 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺添加剂的化学组成
•     2.2.2 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的表面性质
•     2.2.3 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的表面形貌
•     2.2.4 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜对污染物的截留性能
•     2.2.5 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜的抗污染性能
•     2.2.6 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜对污染物的静态吸附行为
•     2.2.7 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电复合膜与污染物的作用机理及构效关系
•   2.3 本章小结
• 第三章 pH响应型氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的制备及其在污染物分离中的应用
•   3.1 实验部分
•     3.1.1 实验材料与仪器
•     3.1.2 直链聚乙烯亚胺的合成与表征
•     3.1.3 pH响应型氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的制备
•     3.1.4 pH响应型氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的表征
•     3.1.5 pH响应型氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的水通量及截留效率测定
•   3.2 结果与讨论
•     3.2.1 pH响应氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的构建及表面性质调控
•     3.2.2 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的内部结构
•     3.2.3 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的水通量
•     3.2.4 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜对污染物的选择性分离
•     3.2.5 氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的pH响应特性及机理
•   3.3 本章小结
• 第四章 研究结论、创新点及展望
•   4.1 研究结论
•   4.2 创新点
•   4.3 展望
• 参考文献
• 个人简历及攻读硕士期间所取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张丽娜

导师: 陈宝梁

关键词: 渗透性,选择性,抗污染性能,响应性,结构调控,构效关系,水处理

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 浙江大学

分类号: P747

总页数: 102

文件大小: 8658K

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