科学家利用喷涂法制备新型低成本高性能长寿命GO纳滤膜

Posted 2021-05-02 江苏纳米创新中心

随着全球人口的快速增长，每年对淡水资源的需求都在持续增加，同时工业的不断发展对水资源的污染也使其变得日益稀缺。膜过滤技术是目前比较成熟的制备淡水的技术之一，在海水淡化、食品药品生产、灌溉等领域有诸多应用。其中纳滤膜是比较成功的膜技术，根据使用条件，其通常可以过滤到5%-90%的盐分。然而目前大多数纳滤膜都是聚合物材质的，其生产过程对环境的影响较大。

为此，科学家们测试了各种其他新材料来制备新型纳滤膜，以获得足够的过滤性能和较好的机械和化学稳定性。其中石墨烯是一种比较有潜力的材料，其具有较大的机械强度，可承受错流操作带来的渗透压和剪切应力。然而石墨烯的大规模低成本生产目前仍然难以实现，特别是用于过滤材料的石墨烯对孔洞等缺陷的要求特别严格，因为其会直接影响到盐分的截留率。

机智的研究学者们转向了与石墨烯结构类似的氧化石墨烯(GO)，其相对石墨烯，制备方式较为简单，缺陷控制也较为容易。目前的研究表明，通过过滤法、棒涂法、垂直排列法等方法制备的GO薄膜都不太适用于水处理，要么性能不太理想，要么不容易放大生产。

近日，来自美国和日本高校的国际研究团队宣布制备了一种通过喷涂法制备GO和石墨烯混合膜的方法，该方法具有更好的适应性，且比现有的纳滤膜技术更容易放大生产，从而可以有效降低其成本。相关研究成果发表在近期的Nature Nanotechnology期刊上。("Effective NaCl and dye rejection of hybrid graphene oxide/graphene layered membranes").

可放大的石墨烯基膜生产清洁用水的示意图(©: Aaron Morelos-Gomez)

“我们梦想是创造一个具有高流量、高效率、长寿命，以及可自我修复、灭菌、消除无机污垢的智能膜，从而为世界上许多清洁水稀缺的地方提供清洁水解决方案”宾州州立大学物理与材料学教授Mauricio Terrones表示：“这项研究工作使我们正在走向这个方向。”

该团队开发的混合膜采用简单的喷涂技术，将GO和只有几层的石墨烯(FLG)在溶液中混合，然后将其沉积到用聚乙烯醇改性的聚砜支撑膜上，随后进行热处理和Ca离子交联处理，就制备出了新型纳滤膜。

GO/FLG 膜制备过程(©: Aaron Morelos-Gomez)

研究人员发现，尽管膜中GO含量降低了，但是错流测试表明其对NaCl排斥性能更加稳定。他们推测这种薄膜排斥NaCl的机制是其GO和FLG表面官能团的作用的结果。此外，他们还发现使用聚乙烯醇作为界面粘合剂层是提高膜结构的机械稳定性的关键，在剧烈的错流测试中，膜的稳定性达到了120小时。

研究人员还比较了这种GO / FLG混合膜与GO/双壁碳纳米管膜的性能，发现后者的脱盐性能远远不如这种混合膜。此外，他们还发现这种混合膜的耐氯性能比纯GO膜更高，这意味着其有更长的使用寿命，因为使用膜过滤技术在日常使用中常常要经受标准清洗程序中高浓度盐酸的考验。

“我们制备的这种混合膜开辟了使用其他纳米材料来探索新型基于GO膜的可能性，从而获得不同性质的纳米通道。”该论文作者表示：“增强的抗剪切性、良好的过滤和耐氯性使这种混合膜具有很好的化学耐久性，适合长期使用。此外，它们可以被探索作为防污膜，以及在生物反应器、蛋白分离、制药、食品工业、废水处理等其他领域得到应用。”

来源: Penn State Materials Research Institute

文献链接：https://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2017.160.html

推荐阅读点击以下链接

• 
  

• 
  

关注“江苏纳米创新中心”，您还可以做这些事☟

✿【自助服务】
回复 01 查看：纳米政策汇总
回复 02 查看：最新申报通知
回复 03 查看：纳米新闻、活动
回复 04 查看：纳博会
回复 05 查看：纳米企业、牛人
回复 06 查看：投稿宣传平台
回复 07 查看：招聘求职平台
回复 08 查看：企业走访征集
回复 09 查看：江苏纳米创新中心介绍

✿【人工服务】
回复 00 添加：微信客服「苏小纳」