Co3O4-GO-PES共混超濾膜的制備及其催化清洗性能研究.pdf

1、聚醚砜（PES）不僅熱穩(wěn)定性和抗氧化性能優(yōu)異，同時也具備機械性能穩(wěn)定，抗蠕變性能優(yōu)異等特點，是一種被廣泛應(yīng)用的膜材料。但由于PES材料本身疏水性強，直接制備超濾膜極易引起膜污染，進而導致低通量、低運行效率以及縮短膜壽命等問題。因此，對純PES超濾膜進行改性是十分有必要的。無機/有機共混改性是一種簡單高效的改性方式，被廣泛應(yīng)用于高性能超濾膜的研發(fā)和制備。通過摻混一種或多種添加劑可以有效地改善單一高分子有機材料所存在的一些性能上的缺陷，除了

2、能夠提高膜的親水性能和耐污染性以外，還可以賦予改性膜某些特殊的功能。本研究將四氧化三鈷（Co3O4）負載于氧化石墨（GO）片層結(jié)構(gòu)上制備得Co3O4-GO納米復合材料，然后利用浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備共混平板超濾膜，從添加劑與膜材料的相容性、添加劑摻混量對改性膜性能的影響以及改性膜的催化清洗功能三個方面展開研究，以期達到提高膜性能的目的。
　　本研究以鱗片石墨為原料，用Hummers法制備了氧化石墨，再經(jīng)熱溶劑法一步合成復合材料Co3

3、O4-GO。利用XRD、SEM以及HRTEM對制備的材料進行了表征，結(jié)果表明納米級尺寸的Co3O4顆粒成功負載到GO片層上，復合材料表面含有大量的羥基、羧基等含氧官能團使得氧化石墨片層更加疏松，且尺寸相對均勻，均小于100nm。在最佳有機溶劑的選擇試驗中，Co3O4-GO經(jīng)超聲后在DMF、DMAC和NMP這三種有機溶劑中分散性最好的是DMAC，添加劑經(jīng)攪拌后能形成均勻穩(wěn)定的鑄膜液。從EDS面掃表征結(jié)果來看，Co3O4在超濾膜上分布均勻，

4、未出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象，表明Co3O4-GO與膜材料PES相容性好。
　　為了考察添加劑Co3O4-GO對膜結(jié)構(gòu)的影響，本研究采用SEM和AFM分別表征膜斷面結(jié)構(gòu)和表面粗糙度的變化，研究表明：與純PES膜相比，Co3O4-GO的加入使膜的斷面指狀孔變得更規(guī)則，貫通性更好，有利于水通量的提高。但是當摻混量大于1.5wt.％后，膜的致密層中出現(xiàn)一些橫向的片層結(jié)構(gòu)堵塞了部分孔道。AFM表征結(jié)果表明，改性膜表面明顯比純PES膜更光滑，且粗糙

5、度隨著摻混量的增加而逐漸增大。
　　與此同時，本研究還通過測定膜的拉伸強度、靜態(tài)接觸角、純水通量、截留率、耐污染以及抗菌性能來考察添加劑摻混量的影響，結(jié)果顯示：Co3O4-GO的共混有效地提高了PES膜的機械性能，在添加劑含量為0 wt.%～1.0 wt.%范圍內(nèi)，膜的拉伸強度隨著摻混量的增加而增大；純PES膜的靜態(tài)接觸角為75.2o，而隨著Co3O4-GO摻混量的增加靜態(tài)接觸角依次逐漸減小，當添加量為2.0 wt.%時靜態(tài)接觸角

6、最小（54.75 o），親水性最好；在0.1MPa的操作壓力下進行純水通量和BSA截留率試驗，純PES膜純水通量僅為101.1 Lm-2h-1，當添加量為1.5wt.%時，通量提高至347.2 Lm-2h-1，相對提高了343%。隨著添加劑含量的增加改性膜的截留率略有下降，但始終保持在94%以上；以生化降解性能好的污水（SV=30%）作為目標污染物進行耐污染試驗，添加劑含量為1.5wt.%的膜穩(wěn)定通量最大，純PES膜經(jīng)簡單清洗后純水通量

7、恢復率為55.75%，隨著添加劑含量的逐漸增加，改性膜的通量恢復率先逐漸提高后略微減小，摻混量為1.5wt.%膜的通量恢復率最高，達到81.1%，且能夠有效地降低膜的不可逆污染；Co3O4-GO的摻混使改性膜具備了抗菌性能，當摻混量為2.0 wt.%時對大腸桿菌抑菌率高達89.8%，且Co3O4負載至GO上之后兩者之間存在抑菌的協(xié)同作用。
　　以O(shè)xone溶液為清洗劑，研究Co3O4催化單過硫酸氫鹽（PMS）產(chǎn)生硫酸根自由基對垃圾

8、滲濾液污染后的膜催化清洗效果以及最佳的清洗條件，試驗結(jié)果表明：改性膜的通量恢復率FRR隨著Oxone溶液濃度、浸泡時間和Co3O4-GO摻混量的增加而提高，結(jié)合經(jīng)濟和效率方面的考慮，最佳的催化清洗條件為：Co3O4-GO摻混量為1.5 wt.%、Oxone溶液濃度為5mM，浸泡時間為30min?？疾齑呋逑吹拟掚x子溶出以及清洗后膜的穩(wěn)定性情況，經(jīng)ICP多次試驗后均未檢測出鈷離子，且催化清洗后的改性膜BSA截留率任然能保持在94%以上，說