碳基納米材料填充混合基質(zhì)反滲透膜的制備及構(gòu)效關(guān)系研究.pdf

1、聚酰胺復(fù)合膜是目前最成功的商業(yè)化反滲透膜，已被廣泛應(yīng)用于脫鹽、純化等領(lǐng)域，但仍然存在諸如耐氯性差、易污染、通量有待進(jìn)一步提高等問(wèn)題。納米科學(xué)的發(fā)展為解決這些問(wèn)題提供了可能。石墨烯和碳納米管是性能卓越的無(wú)機(jī)碳納米材料，與有機(jī)聚合物的結(jié)合能夠顯著提高復(fù)合物的性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管的中空管腔和石墨烯的片層間隙能夠充當(dāng)分子通道，使得它們?cè)诜蛛x領(lǐng)域備受青睞。若能將具有分子通道的碳納米材料很好的分散到聚酰胺反滲透復(fù)合膜，并解決有機(jī)-無(wú)機(jī)

2、物間的相容性以及無(wú)機(jī)納米材料的取向性等問(wèn)題，則有望極大改善膜的分離性能和使用穩(wěn)定性。針對(duì)上述目標(biāo)，本論文在通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分子模擬輔助解析反滲透復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用共混或化學(xué)交聯(lián)的方式分別將碳納米材料引入反滲透膜的支撐層和分離層，利用物理手段實(shí)現(xiàn)碳納米管在膜表面和內(nèi)部的定向排列，并借助分子動(dòng)力學(xué)模擬從微觀層面研究碳納米材料對(duì)反滲透膜分離性能的影響。本論文主要包括以下五個(gè)方面的內(nèi)容:
　　(1)為了提高石墨烯和碳納米管在高分子基質(zhì)中

3、的分散性和相容性，采用混酸對(duì)碳納米管進(jìn)行氧化改性，采用異氰酸鹽對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行有機(jī)化改性，結(jié)果表明:碳納米管和氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能均發(fā)生特定變化，碳納米管在水溶液中的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減小;氧化石墨烯在有機(jī)溶劑中的分散性也顯著提高。
　　(2)對(duì)聚酰胺反滲透復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的深入了解有助于新型反滲透膜的設(shè)計(jì)，因此采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和等離子體刻蝕技術(shù)對(duì)聚酰胺復(fù)合膜的分離層和支撐層展開(kāi)深度解析。結(jié)果表明:聚酰胺分離層在分子尺度上存在三種苯環(huán)殘基

4、結(jié)構(gòu)單元，它們錯(cuò)綜復(fù)雜相互作用，形成穩(wěn)定的膜孔等高級(jí)結(jié)構(gòu)。貫通的膜孔形成水分子通道，它對(duì)水分子的跨膜傳遞非常重要。在介觀尺度上，聚酰胺分離層具有多孔結(jié)構(gòu)，分離層的上部比較疏松，是由“峰”結(jié)構(gòu)和“突起”結(jié)構(gòu)組成，分離層的下部非常致密，是由“谷”結(jié)構(gòu)和大量孔組成;聚砜支撐層從頂部到底部膜孔越來(lái)越大，但膜孔數(shù)量密度先增后減。
　　(3)調(diào)控支撐底膜的結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)對(duì)聚酰胺分離層精確設(shè)計(jì)的重要手段。首先，嘗試將功能化石墨烯加入聚砜底膜，結(jié)果發(fā)

5、現(xiàn):功能化石墨烯有助于改善聚砜膜的親水性和穩(wěn)定性。其次，通過(guò)熱壓-剝離法和原位等離子刻蝕法實(shí)現(xiàn)碳納米管在聚砜底膜表面的取向性排列，為制備含取向性碳納米管聚酰胺復(fù)合膜作準(zhǔn)備。熱壓-剝離法利用剝離過(guò)程產(chǎn)生的剪切力和機(jī)械拉力可將碳納米管從夾層中拉伸并以接近垂直的姿勢(shì)定向在高分子膜表面，實(shí)現(xiàn)宏觀操作來(lái)獲得碳納米管的微觀定向。等離子體對(duì)碳納米管和聚砜的差異性消耗能夠暴露出具有一定取向的碳納米管末端。
　　(4)為了把石墨烯片層形成的分子通道

6、引入聚酰胺復(fù)合膜中，將氧化石墨烯分散到MPD水相中，通過(guò)界面聚合法制備氧化石墨烯/聚酰胺納米復(fù)合反滲透復(fù)合膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:氧化石墨烯的出現(xiàn)能夠一定程度上增加膜表面的親水性、負(fù)電性和耐氯性，但對(duì)膜的產(chǎn)水通量改善很小。模擬結(jié)果表明:石墨烯在聚酰胺中難以形成有效的水分子通道。
　　(5)為了充分發(fā)揮碳納米管空腔在聚酰胺分離層的水分子通道作用，需要將碳納米管以一定的取向引入膜內(nèi)。通過(guò)原位等離子體刻蝕法得到聚砜膜表面取向性碳納米管后，再結(jié)