氧化石墨烯复合膜在水处理中的应用研究进展与展望
张志伟1,2,徐 斌1①,张毅敏1,2②,巴翠翠1,2,汤志凯1,2,顾诗云1,2
【摘 要】摘要：氧化石墨烯(GO)复合膜基于良好的亲水性、丰富的官能团、较大的比表面积及化学稳定性等优异性能在膜分离领域备受关注。该文综述了GO复合膜的制备方法,包括真空过滤法、旋涂法、层层自组装法、掺杂法和共混法等,介绍了其在微污染水体和工业废水深度处理领域的研究进展,探讨了GO复合膜对污染物的分离机理,并对其在水处理领域的应用前景和今后的研究方向进行了展望。
【期刊名称】《生态与农村环境学报》 【年(卷),期】2024(035)010 【总页数】7
【关键词】复合膜;氧化石墨烯;水处理;机理
基金项目： 江苏省科技项目(BK20170111);国家自然科学基金青年基金(51808251);江苏省环保科研课题(2016034)
张志伟，徐斌，张毅敏,等.氧化石墨烯复合膜在水处理中的应用研究进展与展望[J].生态与农村环境学报,2024,35(10):1225-1231.
ZHANG Zhi-wei,XU Bin,ZHANG Yi-min,et al.Research Progress and Prospect of Graphene Oxide Modified Composite Membrane in Water Treatment[J].Journal
of
Ecology
and
Rural
Environment,2024,35(10):1225-1231.
膜分离技术利用膜对混合流体中各物质组分的选择透过性实现对各物质的组分分离、纯化和浓缩。由于其分离效率高、节能环保、操作简单等优点,已成为解
决全球能源、环境、水资源等重大问题的共性支撑技术之一[1]。单一的分离膜因其固有性质(亲水性一般等)在分离过程中会造成膜污染,导致膜分离性能下降、能耗增加、使用寿命短等情况。因此,开发性能优异的复合膜是目前膜分离领域的研究重点。复合膜由力学支撑的基膜和表皮层构成,常见的基膜材料有聚砜、聚醚砜、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯(PVDF)等。针对表皮层进行材料和结构的优化能够提高复合膜的性能,常见的表皮层材料有碳纳米管、二氧化硅(SiO2)等,具有金属离子截留率高、抗菌性强及易对基膜进行功能化改性等特点,但也普遍存在分散性及稳定性差等不足。氧化石墨烯(GO)作为一种具有较大比表面积的二维纳米碳材料,富含羟基、羧基等含氧官能团,具有亲水性强、易分散、抗污染能力强及易功能化设计等优点[2-5],是理想的表皮层材料。对GO进行功能化改性设计,改变层间距离、孔径及官能团,从而赋予GO复合膜独特的化学稳定性、截留降解性能等[6-11],使其可应用于不同的分离体系,满足不同水质要求[12-17]。该研究综述了GO复合膜的制备方法,介绍了其在水处理领域的研究进展,探讨了相关机理,并展望了存在的问题和应用前景。
1 GO复合膜的制备方法
目前GO复合膜的制备方法主要包括真空抽滤法、旋涂法、层层自组装法、掺杂法、共混法等,每种制备方法都有其自身的优缺点。 1.1 真空抽滤法
真空抽滤法是将GO分散液真空抽滤覆盖基膜的方法,具有操作简单、成膜平整、基膜材料选择广泛、制膜条件易调控、污染物截留率高及水通量性能好等优点。GO片层间距离和片层间的褶皱可作为离子和水分子的移动通道[18]。真空抽滤法通过改变抽滤压力、盐浓度、pH值等因素调控GO层间距。此外,不同的
基膜材质对复合膜截留效果有一定的影响。HUANG等[19]在陶瓷纤维上真空抽滤制备GO复合膜,25 ℃条件下膜对有机物(碳酸二甲酯)/水混合物表现出优异的分离性能,截留率达95.2%。YOU等[20]使用PVDF基膜真空抽滤制备GO复合膜,膜通量保持65 L·m-2·h-1·MPa-1时对天然有机物达到100 %的截留效果。真空抽滤法制备的复合膜上GO表皮层与基膜结合不稳定,易从基膜表面脱落。 1.2 旋涂法
旋涂法是指在加热的情况下将GO分散液滴涂在基底上,调节基底的温度和转速使溶液快速蒸发,形成均匀、平整的GO薄膜。蒸发过程有利于去除GO片层间的水分子,缩小层间距离,促使片层间形成较强的毛细管作用力,有助于形成紧密的膜结构[21],复合膜因较小的层间距对污染物截留效果较好。SHAO等[22]在聚丙烯腈基底表面制得GO/聚吡咯(PPy)复合膜,GO/PPy提高了复合膜的有机污染物截留能力,对有机溶剂甲醇、乙醇等截留率大于99%,但水通量相对一般。旋涂法调控因素(基底、旋转时间、速度、温度等)较多,对基底蒸发温度及旋转速度等有较高要求,制备前需对GO溶液进行脱泡以免膜出现空穴,但通过对GO溶液进行改性即可制得改性膜,功能化设计较为方便。 1.3 层层自组装法
层层自组装法是利用带电基板在相反电荷的溶液中交替沉积,聚电解质自组装成多层膜的方法。利用GO表面的大量含氧官能团及其电负性性质,可以与聚合物、带电纳米粒子等进行自组装,根据其应用类型可调节沉积条件、沉积层数等参数。层层自组装法制备的复合膜成膜稳定,适用于制备精细复合膜,具有较好的截留效果和水通量,能够表现出优于商业纳滤和反渗透膜的性能[23]。HU等[24]利用
氧化石墨烯复合膜在水处理中的应用研究进展与展望
