氧化石墨烯基膜在水处理领域的研究进展.docx

中国工程院“气候变化背景下水环境保护”院士高峰论坛 暨第二届海水淡化与水再利用西湖国际论坛论文集氧化石墨烯基膜在水处理领域的研究进展芦瑛，张林(浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江杭州310027)摘要：氧化石墨烯具有良好的亲水性，近年来被尝试制备戍膜用于水处理。本文首先综述了氧化石墨烯膜的制备 方法，包括真空抽滤法、喷涂法．旋涂法、浸涂法和层层自主装法等；其次详细介绍了氧化石墨烯膜、改性氧化石墨烯膜以及石墨烯杂化膜在反渗透，渗透汽化、纳滤等方面的应用；最后对氧化石墨烯膜的发展及应用进行了展望。关键词：氧化石墨烯；膜制备；膜分离；水处理石墨烯，是一种具有单层原子厚度的二维蜂窝状品格结构的碳材料m。1940年，石墨烯被认为是石墨的 组成单元[2】。1962年，Boehm等人通过加热和化学还原氧化石墨(GO)的方法分离出碳的薄片。然而，直到 2004年曼彻斯特大学Geim等用简易的胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到单层石墨烯后，它在大气中的热力学稳定性才得到队可刚。石墨烯特殊的结构使其具有优异的机械性能(杨氏模量和断裂强度分别达到1100GPa和125GPa)、超好的电学性能(电子迁移率为200000cm2／(V·s))(4】、出色的热力学性能(5300W／(m·k1)以及超大的比表面积(2600m2／g)141。这一革命性的发现，迅速引起了物理、化学、生物、材料等各界学者的广泛关注。石器烯片层之间存在很强的范德华力，导致石墨烯材料很难直接应用。氧化石墨烯是石墨烯最常见的～ 种衍生物。通过化学氧化一剥离法得到的氧化石墨烯表面分布着大量的极性含氧官能基团，包括面内分布的 羟基．环氧基和边缘的羧基嘲，由于这些含氧官能团的存在，氧化石墨烯具有良好的亲水性。当氧化石墨烯分散在水中时，羧基水解成带负电的酸根和氢离子，形成稳定的氧化石墨烯分散液。科研工作者通过不同的改性方法，赋予氧化石墨烯新的性质151。改性氧化石墨烯不仅可以阻止片层在溶液中的团聚，还可以通过真空抽滤法、喷涂法、旋涂法、浸涂法、和层层自主装法等方法制备成膜，应用于反渗透、钠滤等分离领域。本文回顾了氧化石墨烯膜的制备方法，综述了氧化石墨烯膜在水处理领域的研究进展，并对其发展前景进行了展望。1氧化石墨烯膜的制备方法氧化石墨烯加入到去离子水中，通过超声和搅拌，可获得稳定的氧化石墨烯分散液，为制备氧化石墨烯 膜提供了很大的便利。主要的制备方法有真空抽滤法、喷涂法、旋涂法、浸涂法、和层层自主装法等，这些方法能耗低，操作简单，获得的氧化石墨烯膜厚度均匀，柔韧性较好，很容易转移到其他衬底上。1．1真空过滤法 真空过滤法是目前制备氧化石墨烯薄膜较为常用的方法。在抽滤氧化石墨烯分散液之前，调控氧化石墨烯适宜的浓度，之后将氧化石墨烯沉积到滤膜(微孔滤膜／氧化铝膜)上进行真空抽滤。过滤过程中，由于受到 水的流动性的影响，氧化石墨烯会将整个滤膜均匀覆盖。该方法得到的氧化石墨烯膜分散性均匀，控制分散液的浓度可以改变氧化石墨烯膜的厚度。Huang等利用抽滤法制备了氧化石墨烯膜，压力、盐浓度、pH均可 以用来调控氧化石墨烯孔道的大小旧。真空抽滤法制备的氧化石墨烯薄膜表面较为平整，由于受到设备的限制用真空抽滤方法制得的石墨烯薄膜 的尺寸小，很难实现大面积制备。同时氧化石墨烯薄膜的厚度通往往不到100nm，没有支撑材料很难独立使用。1．2喷涂法喷涂法是用喷涂设备将溶液均匀的喷涂到基底上，溶剂挥发后得到所需薄膜。喷枪的作用可以将液体雾 化，形成很小的液滴，一般将基底预热，使其达到加速挥发溶剂的作用。喷涂法的优势在于生产效率比较高，中国工程院“气候变化背景下水环境保护”院士高峰论坛 暨第二届海水淡化与水再利用西湖国际论坛论文集可以大面积制备薄膜，过程简单，并能在任何基底上喷涂。但是这种方法制备的薄膜均匀性比较差。Pham等 利用喷涂法制备了化学改性的石墨烯膜，该膜制备方法简单，成本低，且成膜速度快门。1．3旋涂法旋涂法是将氧化石墨烯溶液涂抹到基底上，让基底旋转并且调节基底的转速，使溶液均匀的分散在基底表面，基底干燥后得到氧化石墨薄膜。制膜过程中可控制氧化石墨烯溶液的浓度，转速可以调节膜厚。Hector 等利用旋涂法制备了氧化石墨薄膜。作者首先将基底以600r／rain转速旋转，使溶液充分分散在基底上，随后将转速升高到800r／min，膜的厚度减小，最后将转速升高到l600r／min，加快溶剂蒸发，即得到所需膜嘲。1．4浸涂法浸涂法是将基底浸泡在氧化石墨烯的溶液中，浸泡完成后利用提垃机将基底取出，多余溶液回收。此方 法可以通过控制溶液的温度，浓度以及提拉的速度来控制膜的厚度，并且可以运用机械批量处理。Vollmer等 利用浸涂法处理石英基底，制备出氧化石墨烯薄膜。1．5层层自主装法(LBL)LBL利用带电基板在