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我校研究團隊在氧化石墨烯膜水處理研究取得新進展
【发布日期: 2021-04-19】 【来源: 】 【作者:】 【编辑:周彦兵】 【点击量:】

近日,我校理学院研究团队在国际知名刊物《Journal of Materials Chemistry A》(影响因子11.301),在线发表了最新研究成果“Ultrahigh water permeation with high multivalent metal ions rejection rate through graphene oxide membranes”。该研究对氧化石墨烯膜在水处理方面的应用和改进提供了一种全新的思路,还可进一步延伸用于其他层状二维膜材料的开发,工业化应用前景十分广阔。

膜分離是一種新型的分離技術,與傳統技術相比,具有節能、高效、操作簡單等特點,受到學術界與工業界的廣泛關注,開發高性能膜材料是實現高效膜分離的關鍵。以高通量、高選擇性以及高穩定性關鍵特征的膜分離技術爲代表的解決方案,已逐漸成爲解決水環境汙染和水資源短缺的核心技術之一。

石墨烯(Graphene)是由碳原子形成的蜂窩狀平面薄膜,是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料。英國物理學家Geim和Novoselov用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯,獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯因其獨特的二維結構,擁有諸多突出的物理化學性質,在能源、材料、電子、生物、醫藥等領域展現出巨大的應用前景,也是構築高性能分離膜的理想材料,成爲近年來膜領域的研究熱點。然而,石墨烯膜用于離子篩分和海水淡化仍面臨巨大挑戰,普遍存在對離子的截留率較高的條件下,水通量較低,且穩定性不良的問題。

氧化石墨烯膜對高價態金屬離子的截留性能

该研究,由我校研究团队与华东理工大学、浙江省辐射环境监测站合作,优化了氧化石墨烯膜的制备过程,将制备的氧化石墨烯膜用于高价态金属离子截留的水处理过程。这种方法使得氧化石墨烯膜对高价态离子截留时水通量可达75 ± 2 L m?2 h?1 bar?1,同时保持着99.9 ± 0.1%的离子截留率。该膜在离子截留时的水渗透性能,优于现有报道的传统的纳滤膜以及其他先进的二维膜,且相对于一般氧化石墨烯膜在处理离子时的水通量,提高了1~2个量级。此外,该氧化石墨烯膜具有较高的稳定性,可在5天的稳定性测试中保持高截留和高通量性能。

這種高截留率和高通量的氧化石墨烯膜是由于膜內保持了較大的層間距,使得水更容易通過,從而得到較高的水通量。同時,由于膜內的高價態的水合離子與氧化石墨烯片層之間的強水合離子-π作用,使得膜內的水合離子結構型變,其型變的水合離子尺寸小于溶液環境下未型變的水合離子。因此,基于水合離子-π作用調控的層間距尺寸小于溶液中的水合離子尺寸,在保持水的高通量的同時,實現了離子的高效截留。

該論文第一作者爲我校理學院碩士研究生代芳芳,浙江省輻射環境監測站周峰高級工程師爲共同第一作者;陳亮教授爲本文的通訊作者,華東理工大學梁珊珊博士爲共同通訊作者;我校陳均朗副教授參與、華東理工大學方海平教授主持,共同完成了本項工作。

该工作得到了国家自然科学基金委(12074341, 12004110, U1832150, 11875236, 11974366, 1157433)、浙江农林大学校科研发展基金(No. 2017FR032)等项目的资助和支持。

論文鏈接地址:https://doi.org/10.1039/D1TA00647A。

(理学院 陈均朗)


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