基于多種碳納米材料復(fù)合膜的制備及其結(jié)構(gòu)性能表征研究.pdf

1、作為新型碳納米材料，多壁碳納米管(MWCNTs)和氧化石墨烯(GO)因具有表面活性高、基團(tuán)易調(diào)控和可以聯(lián)合使用等獨(dú)特性能，正越來越多地被用于水污染控制領(lǐng)域的研究。盡管碳納米材料能夠有效吸附水中的低濃度有機(jī)污染物，但其空間尺寸微小，使用時(shí)回收利用難度較大、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，該方法的推廣在很大程度上需要依托高效分離技術(shù)的研發(fā)與使用。在常見的膜分離技術(shù)中，微濾具有操作壓力低、水通量高、懸浮物去除高效的特點(diǎn)，但其對(duì)可溶性小分子物質(zhì)的去除能

2、力很弱。研究選取微濾膜(MF)作為碳納米材料的分離載體，采用過濾涂敷法制備了一類新型復(fù)合膜，系統(tǒng)考察了碳材料投加量、外形尺寸和材料類型配比等因素對(duì)膜表面碳層結(jié)構(gòu)的影響，初步建立了碳層結(jié)構(gòu)與復(fù)合膜截留性能的響應(yīng)關(guān)系，為碳納米材料吸附功能與膜分離技術(shù)的結(jié)合提供了重要參考，具體包括:
　　(1)確保MWCNTs在水中的充分分散，有利于負(fù)載過程中在膜表面形成均勻的碳層結(jié)構(gòu)。因此，首先考察了碳管尺寸、表面基團(tuán)、超聲時(shí)間、超聲功率密度以及高分

3、子分散劑(BCPs)投加量對(duì)碳管分散效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳管懸濁液濃度為0.1mg·mL-1，超聲密度設(shè)定為5W·mL-1，超聲時(shí)長(zhǎng)30min，分散劑與碳管投加質(zhì)量比m(BCPs)/m(CNTs)在0.2～0.6時(shí)，碳管分散液能夠在2h內(nèi)保持勻質(zhì)穩(wěn)定。其中，BCPs投加量的大小與碳管尺寸與表面基團(tuán)均有一定的相關(guān)性。
　　(2)在MWCNTs復(fù)合膜的制備過程中，系統(tǒng)考察了碳管負(fù)載量、碳管尺寸、表面基團(tuán)和基底膜類型等因素對(duì)負(fù)載碳層結(jié)構(gòu)的

4、影響。研究表明，提高碳管負(fù)載量，碳層厚度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，復(fù)合膜滲透率明顯降低。同時(shí)，增大碳管外徑和減小碳管長(zhǎng)度都有利于形成孔隙結(jié)構(gòu)均勻、致密平整的碳層結(jié)構(gòu)。利用軟件對(duì)掃描電鏡(SEM)結(jié)果進(jìn)行分析可知，碳層表面孔徑服從Lognormal分布，且主要集中于20～30nm范圍內(nèi)。與碳管表面基團(tuán)相比，基底膜類型對(duì)碳層結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，使用無機(jī)氧化鋁（AAO）膜更容易獲得相對(duì)平整的負(fù)載碳層。
　　(3)將小分子富里酸(FA，分子量約22

5、7.17Da)作為目標(biāo)物，系統(tǒng)考察了碳管負(fù)載量、碳管尺寸、表面基團(tuán)和基底膜類型等因素對(duì)多壁碳納米管復(fù)合膜截留性能的影響。研究表明，增加碳管的負(fù)荷，有利于增強(qiáng)復(fù)合膜對(duì)FA的去除能力。在相同負(fù)載量條件下，碳管外徑越大，其比表面積越小，復(fù)合膜的滲透率和FA截留率均越小。長(zhǎng)度較長(zhǎng)的碳管容易在膜表面形成不均勻的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其對(duì)FA的截留能力較差。基于擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合可知，碳層的吸附作用是復(fù)合膜截留FA的主導(dǎo)機(jī)理。與原始碳管相比，羥基和羧基化

6、碳管對(duì)應(yīng)的復(fù)合膜滲透率更高，單位碳管的平衡吸附量相對(duì)更低。從基底膜類型上看，無機(jī)氧化鋁陶瓷膜(AAO)表面碳層孔隙分布更均勻，有利于提高碳層吸附點(diǎn)位的利用率。
　　(4)為進(jìn)一步提高復(fù)合膜對(duì)小分子FA的截留性能，在碳管中混入少量GO，構(gòu)建MWCNTs/GO復(fù)合碳層。對(duì)比SEM的結(jié)果可知，GO的混入使得膜表面碳層由單純MWCNTs的蜂窩狀變?yōu)槠交膶訝罱Y(jié)構(gòu)。采用多種表面元素分析方法發(fā)現(xiàn)，MWCNTs/GO復(fù)合碳層的元素組成與單純GO