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氧化石墨烯膜可实现97%NaCl截留率 助海水淡化大规模发展

2017-4-11 11:01| 发布者: candy| 查看: 250| 评论: 0|来自: 膜分离技术交流

石墨烯氧化物由于杰出的水渗透性和分子筛选性能受到广泛的关注,其工业规模的生产也具有较好的现实前景,但是氧化石墨烯膜(graphene oxide membranes)的离子筛分(ion sieving)和脱盐技术方面的应用受限于其9埃米的渗透临界值(permeation cutoff),因为比传统水合盐离子的尺寸要大,而其临界值由13.5埃米的层间距(interlayer spacing)所决定。标准的石墨烯氧化薄片在水中会膨胀,在浸水的薄片上获得较小的层间距是一个挑战。曼彻斯特大学国立石墨烯研究所的研究人员通过物理局限(physical confinement)的方法成功实现精确可调的离子筛分,制备出了层间距为9.8到6.4埃米的薄片,避免了膜在水中的溶胀,抑制离子的透过而不影响水的通过,对NaCl有97%的截留率,具有大规模海水淡化的潜力。

具有亚纳米孔径的选择性渗透膜由于其和生物膜相似的功能、以及其在水过滤、分子分离、脱盐等的应用,吸引了广泛的关注。纳米孔径的尺寸比水合离子的直径要小会提高离子选择性,因为离子在渗透过这些原子尺寸筛时需要脱水。离子脱水效应(ion dehydration effects)已经被广泛研究,但是因为构造出具有齐整的明确的亚纳米级孔较为困难,所以由脱水所控制的离子筛分很有限。制备出脱水辅助选择性的膜将是向前迈出的重要一步。目前大多数的新膜研究都集中在提高水通量而不是离子选择性,由实际相关过滤过程的建模显示高于目前可得的水渗透率对于整体的脱盐效率并没有多大的贡献。

基于高水-离子选择性的替代方法可能为提高过滤技术开辟新的可能,目前高水平的膜由于溶液扩散机理所限制,因为水分子溶解于膜材料中,并扩散通过膜。碳纳米材料、碳纳米管和石墨烯是可靠的膜材料。但是,这些膜工业规模的生产较难,特别是单层石墨烯也是一种作为制备亚纳米孔的离子排斥膜的好材料,但是在工业规模较难制备出高密度和齐整的孔径,因为涉及过程中的随机特性。

石墨烯氧化物(graphene oxide,GO)是石墨烯的化学衍生物,由于其杰出的水渗透性和分子筛选性能受到广泛的关注,其工业规模的生产也具有较好的现实前景。通过GO膜的分子渗透是顺着石墨烯原始通道的网格的,其中还有40-60%没有被功能化。它们的筛分性能由层间距所决定,取决于环境的湿度。将其进入水中时,会在GO片之间插入2-3层的水分子,由此导致膨胀现象,层间距为13.5埃米。

该课题组展示了怎样通过物理局限的方法来完成精确可调的离子筛分,突破其13.5埃米的层间距,制备出了层间距为9.8到6.4埃米的薄片,筛分的尺寸比水合离子直径要小。在这种情形下,离子渗透由热激活,能垒(energy barriers)根据层间距的不同,在10-100KJmol-1之间。重要的是,随着筛分尺寸的降低,渗透指数成倍的降低,而对水的转运影响较小(因素<2)。后者是因为水分子进入的低屏障和石墨烯毛细管内部的较大的滑移长度(slip lengths)。基于这些发现,展示了一种简单的可工业化的的基于石墨烯的有限膨胀膜,对于NaCl有97%的截留率。

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