于云霆聚酰胺交联的氧化石墨烯膜用于正渗透-石墨烯联盟

于云霆
GO膜在纳滤（NF）和正渗透（FO）过程中表现出优异的分离性能。与液压驱动的NF过程不同，FO是一种由渗透压梯度驱动的穿过半透膜的传质过程。由于其诸多的优点，包括低污染潜力和使用低等级热能作为主要能源的性能，FO已经在废水处理，膜生物反应器，可持续发电，海水淡化和食品加工等领用具有广泛的应用。FO膜的性能主要受其支撑层的性质以及其内部的浓差极化所影响。
因此，制备高性能的FO膜的典型策略就是降低支撑层的曲折性、增加孔隙率以及增加亲水性。也就是说，高性能的FO膜理想的支撑层需要是非常亲水的、很薄的并且开孔结构从而有利于消除内部的浓差极化。然而，再这样一种理想的支撑层上通过界面聚合制备完整的聚酰胺（PA）活性层是很困难的，因此目前的FO膜使用疏水的聚砜（PSF）多孔支撑层，其呈现海绵状的内部孔结构，且其表面孔径再10-20 nm范围内。因此，寻找一种不受支撑层制约的制备FO膜的方法是非常有意义的。
考虑到PA膜是当下液相分离膜的黄金标准（水通量和选择性能实现良好的平衡），将GO和PA复合或许可以集成其各自的优点于一身。目前来说，一个常用的策略是将GO引入高分子膜基体中，包括活性分离层或支撑层。研究表明，将GO通过界面聚合加入PA层中不仅可以提高FO模式下的水通量，还可以提高天然有机物质的去除效率和抗污染性能。相似地，将GO在相转化的过程中加入支撑层中也可有效的提高膜通量。
图1. PA交联的GO膜的制备过程示意图。
近期，Limei等人报道了一种新的FO膜合成方法，其可充分利用GO和PA的优异特性同时降低了对支撑层的依赖。如图所示，与直接在支撑层上水平沉积GO纳米片不同，他们先用MXDA使GO纳米片团聚，同时MXDA会将GO纳米片彼此之间相互交联从而形成稳定的GO团聚体。然后将GO团聚体沉积在支撑层上，因此一部分GO纳米片将是垂直倾斜的排列，形成更短更直接的传输通道。
接下来，再将沉积有MXDA/GO的支撑层与TMC接触反应，TMC与MXDA反应形成PA将GO团聚体彼此交联起来，同时填补它们之间较大的孔洞间隙。值的注意的是，为了稳定负电荷的GO团聚体，PES支撑层用正电荷的PAH进行预处理，以便提高GO层与集体的粘附力。为了促进GO团聚体之间的充分交联，对膜进行一定的热处理，因为缩聚反应形成聚酰胺的过程需要60℃以上的高温。
GO纳米片之间的交联以及GO团聚体的交联通过一系列的表征如SEM、XPS和接触角测试等证实。分别用柠檬酸三钠（TSC），硫酸钠和氯化镁作为汲取溶质，将PA-GO膜的FO性能与商业的FO膜进行比较：在相同的渗透压下，以TSC作为汲取溶质，PA-GO膜的水通量最高，硫酸钠适中，氯化镁几乎没有通量。而溶质通量的顺序与此相反。这说明有效的溶质屏障层在制造具有高水通量和低溶质通量的FO膜中起着重要作用。
参考文献：
Jin L, Wang Z, Zheng S, et al.Polyamide-crosslinked graphene oxide membrane for forward osmosis. Journal ofMembrane Science, 2018, 545: 11-18.
来源：OIL实验室
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