氧化石墨烯纳滤膜应用于有机溶液体系!

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    在医药、染料、农药、石化等有机化工领域,有机溶剂的高效低成本净化,尤其是小分子的选择性去除,对于溶剂的回收使用和达标排放都显得非常重要。膜分离技术相对于传统的精馏操作,具有更低的成本和更简便的操作性。然而,目前工业上使用的大部分纳滤膜都是聚合物材料,仅适用于水相体系,难以在有机体系中高效发挥作用。

 

基于氧化石墨烯的纳滤膜由于其独特的离子筛分功能和超快速的透过性,近年来在水净化领域取得了许多重要进展。即便如此,氧化石墨烯纳滤膜也大部分适用于水相体系,在有机体系中几乎不具有透过性,且其机理尚不明了。

 


图1. GO纳滤膜

R. R. Nair, A. K. Geim et al. Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes. Science 2012, 335, 442-444.

 

因此,如何将氧化石墨烯纳滤膜应用到有机溶液体系,是氧化石墨烯以及纳滤膜两大领域的重要问题。

 

   有鉴于此,英国曼彻斯特大学R. R. Nair和Y. Su等人基于氧化石墨烯构建了一种可适用于有机溶液体系的超快速纳滤膜。

 


图2. 8 nm厚氧化石墨烯纳滤膜(负载于阳极氧化铝基底)

 

这种超薄的纳滤膜厚度约10nm左右,由许多10-20μm的鳞片氧化石墨烯形成光滑的二维毛细管结构形成薄层,不需要经过缝合表面改性和修饰,就可以实现有机溶剂中小分子染料的高通量、高效(>99.9%)拦截。

 

随着纳滤膜的厚度增加,有机溶剂中的透过性逐渐减小,而水溶液的透过性不变。当膜厚度大于70nm时,有机溶液几乎不能透过。另外,研究表明,有机溶液的透过性主要不是来自于层间毛细管结构。

 


图3. 有机溶液中的小分子纳滤性能

 


图4. 有机溶液的透过性

 

基于以上认识,研究人员认为,这种有机体系中的独特透过性可能来源于石墨烯短通道之间相互交联产生的1 nm左右的针孔结构。

 

进一步,研究人员基于Mg2+交联的部分还原氧化石墨烯,构建了一种增强纳滤膜,在进一步增强有机溶剂透过性的同时,几乎不降低其小分子拦截效率。

 


 

Q. Yang, Y. Su, C. Chi, R. R. Nair et al. Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation. Nature Materials 2017.


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