基于多種碳納米材料復合膜的制備及其結(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、基團易調(diào)控和可以聯(lián)合使用等獨特性能，正越來越多地被用于水污染控制領域的研究。盡管碳納米材料能夠有效吸附水中的低濃度有機污染物，但其空間尺寸微小，使用時回收利用難度較大、潛在生態(tài)風險較高。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，但其對可溶性小分子物質(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)與復合膜截留性能的響應關(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、超聲時間、超聲功率密度以及高分

3、子分散劑(BCPs)投加量對碳管分散效果的影響，發(fā)現(xiàn)當碳管懸濁液濃度為0.1mg·mL-1，超聲密度設定為5W·mL-1，超聲時長30min，分散劑與碳管投加質(zhì)量比m(BCPs)/m(CNTs)在0.2～0.6時，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均有一定的相關(guān)性。
　　(2)在MWCNTs復合膜的制備過程中，系統(tǒng)考察了碳管負載量、碳管尺寸、表面基團和基底膜類型等因素對負載碳層結(jié)構(gòu)的

4、影響。研究表明，提高碳管負載量，碳層厚度呈線性增長趨勢，復合膜滲透率明顯降低。同時，增大碳管外徑和減小碳管長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)。利用軟件對掃描電鏡(SEM)結(jié)果進行分析可知，碳層表面孔徑服從Lognormal分布，且主要集中于20～30nm范圍內(nèi)。與碳管表面基團相比，基底膜類型對碳層結(jié)構(gòu)的影響更為明顯，使用無機氧化鋁（AAO）膜更容易獲得相對平整的負載碳層。
　　(3)將小分子富里酸(FA，分子量約22

5、7.17Da)作為目標物，系統(tǒng)考察了碳管負載量、碳管尺寸、表面基團和基底膜類型等因素對多壁碳納米管復合膜截留性能的影響。研究表明，增加碳管的負荷，有利于增強復合膜對FA的去除能力。在相同負載量條件下，碳管外徑越大，其比表面積越小，復合膜的滲透率和FA截留率均越小。長度較長的碳管容易在膜表面形成不均勻的團狀結(jié)構(gòu)，導致其對FA的截留能力較差?；跀M二級動力學模型擬合可知，碳層的吸附作用是復合膜截留FA的主導機理。與原始碳管相比，羥基和羧基化

6、碳管對應的復合膜滲透率更高，單位碳管的平衡吸附量相對更低。從基底膜類型上看，無機氧化鋁陶瓷膜(AAO)表面碳層孔隙分布更均勻，有利于提高碳層吸附點位的利用率。
　　(4)為進一步提高復合膜對小分子FA的截留性能，在碳管中混入少量GO，構(gòu)建MWCNTs/GO復合碳層。對比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復合碳層的元素組成與單純GO