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        海南大學劉亞楠《AFM》:受細胞膜啟發的石墨烯納米網膜,可快速分離水包油乳液,涂料在線,coatingol.com
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        海南大學劉亞楠《AFM》:受細胞膜啟發的石墨烯納米網膜,可快速分離水包油乳液
        2022年05月12日    閱讀量:     新聞來源:涂料在線 coatingol.com  |  投稿

        隨著工業化進程的加快和全球人口的持續增長,淡水資源嚴重短缺已日趨嚴重。含油廢水已成為日常生活和食品、皮革、紡織、煉鋼、石化等眾多行業的主要環境問題。與傳統的水處理技術相比,膜技術具有很多優勢,包括高選擇性分離、低能耗、簡單的設備和低空間需求以及連續和自動操作,特別是對于乳化油/水混合物的分離涂料在線coatingol.com。氧化石墨烯(GO)具有二維(2D)碳結構和單個碳原子厚度,由于其獨特的特性已成為一種流行的膜材料?,F有的GO基膜中,最關注的是通過在相鄰GO納米片之間插入離子、分子或納米材料來控制不同分離目的的層間距,因為層間距在決定GO基膜的分離性能方面起著關鍵作用。然而,對于石墨烯組裝的膜,每個穿過膜的分子都會繞過許多石墨烯片,這不僅延長了分子路徑增加了傳質阻力,而且還會降低膜的滲透性。


        鑒于此,海南大學劉亞楠副教授和英國倫敦大學學院(UCL)Marc-Olivier Coppens教授受細胞膜結構(包括具有用于選擇性傳輸的親水門和用于與水低摩擦的疏水通道的水通道蛋白)的啟發,通過真空輔助自組裝工藝制備造了一種石墨烯納米網(GNM)膜。在GO納米片上創建了納米孔以增加傳質通道的數量并減少其長度來合成石墨烯納米網。結合石墨烯片和水之間的低摩擦,實現了快速的水傳輸,實現了超快速、選擇性的水通量。親水性聚合物殼聚糖用于修飾GNM以構建水合層,從而抑制污垢接觸膜表面。因此,該石墨烯納米網膜的滲透率幾乎達到4000 L m-2 h-1 bar-1,約為GO膜滲透率的260倍。該膜在分離各種表面活性劑方面表現出優異的防污性能-穩定的水包油乳液,各種乳液的水通量回收率均超過96.7%,循環3次后仍保持在95.2%以上。相關工作以“Cell Membrane-Inspired Graphene Nanomesh Membrane for Fast Separation of Oil-in-Water Emulsions”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materilas》上。


        GNM和CS@GNM的制備和表征

        具有納米孔的GNM分兩步合成。首先,通過在濾紙上過濾GO和鹽的濃縮溶液,在GO納米片上形成鹽模板。然后,在點火后有缺陷的孔隙中暴露的裸露的GO被燃燒。最后,在用HCl溶液洗去鹽后,獲得了具有納米孔的GNM。制備的GNM具有納米片狀結構,片材尺寸為300 nm,孔隙均勻分布在GNM上(圖1)。GNM的平均孔徑為5.5±2.6 nm,孔隙率約為6.5%。利用殼聚糖對GNM進行改性,通過殼聚糖上的氨基與GNM上的羧基反應,制備出具有高親水性的CS@GNM。GNM膜通過真空輔助自組裝工藝制備,通過在孔徑為100 nm的聚醚砜 (PES) 膜上過濾GNM和CS@GNM的分散體。保持CS@GNM中GNM和GNM的總質量不變并改變CS@GNM中GNM和GNM的質量比,制造了一系列GNM膜,表示為GNM/CS@GNM-x,x=1-6。GNM膜具有平坦的表面,表明GNM具有與GO相似的膜形成能力(圖2)。SEM圖像表明,GO膜的厚度為35.7 ± 6.0 nm,GNM的厚度為42.8 ± 5.3 nm。

        海南大學劉亞楠《AFM》:受細胞膜啟發的石墨烯納米網膜,可快速分離水包油乳液 涂料在線,coatingol.com

        圖1 GNM和CS@GNM的制備和表征

        海南大學劉亞楠《AFM》:受細胞膜啟發的石墨烯納米網膜,可快速分離水包油乳液 涂料在線,coatingol.com

        圖2 GNM膜的制備和形態學


        GNM膜的潤濕性、滲透性和形態穩定性

        作者進行了一系列接觸角測量來評估受細胞膜啟發的GNM膜的表面潤濕性。GNM膜的水接觸角最初約為105°,但在16.3 s內降至零。GNM/CS@GNM-6的水接觸角可以達到75°,并在17.6 s內降至零,表明受細胞膜啟發的GNM膜具有高親水性。GNM膜對各種油類(包括葵花油、泵油、辛烷值和硅油)在水下呈現出超疏油性(圖 3)。因此,GNM膜具有高親水性、超疏油性和水下低油粘附性。GNM上的納米孔可以提供更多的傳質通道并減少傳質通道的平均長度,從而形成具有更高孔隙率和更低曲折度的膜結構。因此,GNM膜的滲透性顯著提高到3690 ± 160 L m-2 h-1 bar-1,是GO膜的230倍(圖4)。GNM膜的水通量隨著跨膜壓力的增加而增加,范圍為 0-1.2 bar。通過GNM上的納米孔實現增強的滲透性,這增加了傳質通道的數量并減少了傳質通道的長度。因此,跨膜壓力對滲透率的影響非常小。此外,GNM膜在3.0至11.0的pH范圍內表現出穩定的滲透性。

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        圖3 GNM膜的潤濕性表征

        海南大學劉亞楠《AFM》:受細胞膜啟發的石墨烯納米網膜,可快速分離水包油乳液 涂料在線,coatingol.com

        圖4 GNM膜的滲透性和形態穩定性

        GNM膜的防污性能

        作者通過過濾一系列由葵花油、泵油、辛烷和硅油制備的表面活性劑穩定的水包油乳液,評估了GNM膜的防污性能。在水滲透率為3990 ± 150 L的表面活性劑穩定的向日葵水包油乳液分離過程中,水回收率從GO膜的29.9%提高到 GNM/CS@GNM-4膜的98.7% m–2 h–1 bar–1,是GO膜的260倍以上。GNM膜對于分離其他種類的水包油乳液具有優異的防污性能,水回收率在所有情況下均能保持在96.7%以上。此外,通過使用表面活性劑穩定的向日葵水包油乳液作為模型污垢的循環實驗,驗證了GNM膜的長期分離性能。三個循環后,水回收率仍能保持在95.2%以上。所有這些結果證明,GNM膜在表面活性劑穩定的水包油乳液的持久分離方面表現出優異的性能。

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        圖5 GNM膜的防污性能表征

        小結:作者受細胞膜結構的啟發,制備了一種石墨烯納米網膜。在石墨烯納米網(GNM)上合成納米孔以減少傳質通道的長度。結合石墨烯納米片和水分子之間的低摩擦,實現了高滲透性。具有親水性羥基和氨基的殼聚糖用于修飾GNM以增加其親水性并誘導在膜表面形成水化層。該GNM膜在水下具有高親水性、超疏油性和低油粘附性。因此,該研究制備的膜在用于分離各種表面活性劑穩定的水包油乳液時表現出優異的防污性能。這項工作為通過自然靈感制造用于油/水分離的高性能膜提供了新的見解。


        標簽:輔料與設備,石墨烯,涂裝應用,技術中心,油墨
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