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【科技快讯】我院硕士生袁保求ES&T研究:具有稳定纳米通道的氧化石墨烯纳滤膜及污染物/无机盐高效分离

作者:    信息来源:    发布时间: 2020-11-13

图文摘要

成果简介

近日,大连理工大学环境学院硕士生袁保求(导师为董应超教授)等人在环境领域权威期刊Environment Science & Technology上发表了题为“Cross-linked Graphene Oxide Framework Membranes with Robust Nano-Channels for Enhanced Sieving Ability”的研究论文。发展面向分子/离子精密分离的高性能、水稳定氧化石墨烯膜是具有挑战性的课题,该工作以高稳定陶瓷膜为载体,采用分子交联策略制备了新型陶瓷基氧化石墨烯框架膜(GOF),独特的分子交联不仅增强了膜的长期稳定性,更重要的是提高了分子/离子如微污染物/无机盐的分离性能(如渗透性和选择性等),重点研究了纳滤GOF膜中纳米通道的孔结构及孔化学、纳米片之间的分子交联机理和有机微污染物分子/无机盐离子的分离机理,并初步考察了膜的长期运行稳定性。

随着全球社会经济和工业化进程的快速发展,水环境中各类有机和无机污染物所致的环境和生态问题变的越来越严峻,发展经济、先进的处理技术迫在眉睫。工业废水如医药废水和养殖废水等含有较高浓度污染物分子和无机盐离子,现有膜技术如纳滤处理该类废水时存在性能差和稳定性不足等关键瓶颈问题。相比之下,作为新兴的分离膜,氧化石墨烯(GO)膜由于具有良好的热、机械和化学稳定性,以及可调控的二维层间纳米通道结构,近年来在水处理应用中展现出色的应用潜力。但是,实现其高效的分离性能和优异的稳定性并用于水中分子/离子的精密分离,仍是具有挑战性的问题。针对上述问题,本研究提出了一种分子水平(硫脲TU和间苯二胺MPD)的交联策略,显著提高了GOF膜的水中长期稳定性和有机污染物/无机盐的分离性能,揭示了GOF膜的孔道结构和表面化学,提出了二维GO纳米片的分子交联机制和有机微污染物/无机盐离子的分离机理。






图1 (a)GO纳米片与TU或MPD分子之间的交联反应机理示意图;(b)通过分子共价交联策略合理设计的GOF膜结构和特点;(c)GOF膜对微污染物和无机盐的分离机理。


小结与展望

本工作以有机污染物和无机盐的高效去除这一技术难题为出发点,通过分子水平上合理设计GO膜的纳米孔道结构和表面化学,实现了膜的稳定性和分离性能的提升,揭示了分子交联和膜分离过程中的相关科学问题。针对目前GO膜稳定性差、渗透性和选择性存在权衡关系等问题,提出并设计了一种稳定的功能化陶瓷基GOF纳滤膜,通过在GO膜层间插入TU和MPD分子,实现GO纳米片之间的共价键交联,形成更稳定的二维纳米通道。对于TU交联,由于纳米通道尺寸显著减小,对盐(例如,NaCl为95.6%)和微污染物的截留率显著增强,但牺牲了水渗透性。相比之下,采用较大尺寸的疏水结构MPD进行交联,MPD-GOF膜由于适度限域的疏水纳米通道而表现出同时增强的选择性和渗透性,打破了二者的矛盾关系问题,实现了纳米通道的尺寸/化学合理调控和稳定性增强。TU-GOF膜和MPD-GOF膜在水中微污染物/盐离子的分离去除涉及尺寸筛分(空间位阻)、静电作用、道南排斥和部分离子脱水效应等机制。该研究为合理设计具有可控通道尺寸和表面化学的水稳定性功能GOF膜的制备及应用提供了一种新策略。对于后续工作,我们将开展盐/微污染物和离子-离子混合物的分离,考虑到陶瓷膜具有优异的稳定性,我们也将系统考察陶瓷基GOF膜的长期运行性能和极端环境应用(如有机溶剂、酸性或碱性等分离环境)。


作者介绍:第一作者,袁保求,大连理工大学环境学院2020届硕士生,导师为董应超教授,研究方向为新型纳滤膜及水处理应用,以第一作者在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology(SCI一区,IF(2019)= 7.864)发表论文1篇。


致谢:本研究得到了国家自然科学基金、兴辽英才项目、国家重点研发计划、辽宁省自然科学基金等项目的资助。感谢杨凤林教授和全燮教授的指导与帮助,感谢博士生王明昕和硕士生汪波的部分贡献,感谢博士生孙春意的帮助。

袁保求同学的同届硕士毕业生司一然,研究方向为导电金属膜高盐废水处理技术,以第一作者在Environmental Science & Technology上发表论文1篇(Environ. Sci. Technol., 54 (14) (2020) 9074–9082.),申请专利1项,荣获2020年大连市和大连理工大学优秀毕业生;同届硕士毕业生张明明,研究方向为新型正渗透膜技术,以第一作者在Environmental Science & Technology上发表论文1篇(Environ. Sci. Technol., 54 (12) (2020) 7715–7724.),第二作者论文目前在环境领域重要期刊Water Research上修改复审。感谢三位硕士同学所做的贡献!

备注:

Permission for reuse of all figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2020, American Chemical Society.

参考文献:

1 Baoqiu Yuan, Mingxin Wang, Bo Wang, Fenglin Yang, Quan Xie, Chuyang Y. Tang*, Yingchao Dong*, Cross-linked graphene oxide framework membranes with robust nano-channels for enhanced sieving ability, Environmental Science & Technology, 2020. DOI:10.1021/acs.est.0c05387





 

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