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pH响应型氧化石墨烯基复合纳滤膜的构筑及性能研究

摘要

随着经济和工业化的发展，淡水资源日益短缺，水污染问题也越来越严重，因

此如何解决水污染和淡水资源问题成为人们关注的重点。与吸附和蒸馏法等相比膜

分离方法具有低能耗，易操作等优点而被人们广泛应用于水处理中。在膜分离方法

中纳滤凭借低操作压力和对有机染料高截留性能在污水处理中脱颖而出。氧化石墨

烯（GrapheneOxide,GO）由于具有层状结构且表面含有丰富的含氧官能团，所以

在本文中被选择用作膜分离材料的研究对象。但实际应用的污水往往呈酸性或者碱

性，而GO材料受到pH影响较小，在不同pH下的分离效果远达不到理想要求，因

此本文选择具有pH响应的聚合物对GO进行改性。在本文中首先选用具有pH响应

的聚甲基丙烯酸（PMAA）聚合物作为改性材料，将聚合物与GO进行共价接枝制

备了氧化石墨烯-聚甲基丙烯酸（GO-PMAA）复合材料，并制备了含有不同比例的

GO和GO-PMAA的纳滤膜。研究了纳滤膜的水渗透性和染料分离性能，并测试了

不同pH下纳滤膜的性能和分离机理。再利用聚苯胺（PANI）的单体苯胺（ANI）

与GO间发生聚合反应制备了复合材料氧化石墨烯-聚苯胺（GO-PANI）。制备含有

不同比例GO和GO-PANI材料的杂化纳滤膜，测试了纳滤膜在不同pH下的纳滤性

能和分离机理。研究内容主要有：

（1）通过改良的Hummers法制备了氧化石墨烯纳米片，然后通过共价接枝使

PMAA和GO结合，形成了复合材料GO-PMAA，利用真空抽滤制备出了含有不同

比例的GO和GO-PMAA材料的氧化石墨烯基纳滤膜（xp-nGOMs）。对复合材料和

复合纳滤膜进行了TEM、FT-IR、TGA、SEM、AFM等一系列测试。研究结果表明

加入GO-PMAA复合纳滤膜表面具有更多的褶皱且具有层状结构，而且纳滤膜的表

面更加粗糙。

（2）测试了纳滤膜的XRD、水渗透性和对染料分子的截留性能。结果表明加

入GO-PMAA后的纳滤膜层间距增大，从7.6Å增加到了8.2Å，因此水分子更容易

通过纳滤膜，但对中性染料罗丹明B（RB）的截留率从99.9%降到92.6%。由于纳

滤膜对染料亚甲基蓝（MB）截留效果最好，因此选择MB测试纳滤膜的长期稳定

性能测试，研究表明加入GO-PMAA后纳滤膜的长期工作稳定性更佳。

（3）测试了带负电纳滤膜在不同pH下的性能，研究表明在酸性条件下5p-

nGOM的层间距较小为8.0Å，此时的水渗透性较差为16.5L•m-2•h-1•bar-1，但对带

负电染料甲基橙（MO）和伊文思蓝（EB）的截留效果较好，截留率分别为73.1%

和99.7%。在碱性条件下纳滤膜的层间距变大为9.16Å，此时水渗透性提高为26.5

L•m-2•h-1•bar-1，但对染料MO和EB的截留效果变差，截留率仅为34.6%和72.9%，

且纳滤膜在不同pH下的水渗透性是可逆的。纳滤膜在不同pH下对染料分子截留效

果不同，主要是由于带负电的纳滤膜对阴离子染料的尺寸筛分和静电排斥共同作用

的结果。

（4）选择具有pH响应的PANI与GO结合，制备了复合材料GO-PANI，并利

用真空抽滤制备了具有不同GO和GO-PANI比例的杂化纳滤膜（nGO-PANIMs），

对制备的复合材料和纳滤膜进行了材料表征。通过XPS、FT-IR等测试结果表明复

合材料GO-PANI成功制备，且通过TEM测试发现复合材料表面有更多的起伏和褶

皱。

（5）研究氧化石墨烯基纳滤膜的性能，发现加入PANI后的纳滤膜亲水性变差，

但是层间距为8.2Å增加为8.7Å，因此水分子的渗透性还是提高的，最高为64.94

L•m-2•h-1•bar-1，但是对染料RB的截留效果从99.6%降低为77.2%。对氧化石墨烯基

纳滤膜在不同pH下进行性能测试，结果表明在酸性条件下GO-PANI的Zeta电位为

正，在碱性条件下的Zeta电位为负。由于静电作用5GO-PANIM在酸性条件下对带

负电染料MO的截留效果更好，截留率可达98.38%，在碱性条件下对带正电染料

MB的截留效果更好，截留率为98.79%