理想的水处理膜需要具备以下特点：1) 厚度小，通量高; 2) 机械强度足够，在实际应用中可保持良好的结构完整性; 3) 尺寸分布集中，可高效分离目标截留物质，基于以上考虑，二维的多孔石墨烯基是理想的水处理膜材料，但是目前相关研究仅止步于微米尺寸的石墨烯膜。完美晶格石墨烯的理论强度很高，但是大面积石墨烯膜的晶界会显著影响其强度，在石墨烯膜上引入纳米孔会进一步影响其结构完整性。膜的强度不足是限制其应用的关键因素。
针对以上问题，武汉大学的袁荃教授课题组设计了石墨烯纳米筛(GNM)/碳纳米管(CNTs)复合薄膜。如图1所示，在该复合结构中，相互交联的CNTs网为石墨烯膜提供支撑，从而保证了宏观尺寸的石墨烯膜的结构完整性。石墨烯膜上可控制备的纳米孔可允许水分子通过，同时截留离子和染料大分子，实现膜的分离性能。
图1.大面积、高强度GNM/CNTs膜的结构示意图
在错流正渗透测试中，膜可以承受高达60 MPa的压力，没有明显的结构破坏。GNM/CNTs膜的通量与氧等离子体处理时间呈正相关。对膜的脱盐测试结果表明，graphene/CNTs膜可以完全截留盐离子，说明graphene的结构完整性保持良好，而GNM/CNTs膜的脱盐率与氧等离子体处理时间呈负相关。在错流反渗透测试中，膜也表现出足够的强度，对四种典型的盐Na2SO4 , MgCl2, NaCl,和KCl均具有较高的截留率，85.2%~93.4%。和其他文献中的过滤膜相比，GNM/CNTs膜表现出优异的综合性能，如图3(H)所示。
图2. GNM/CNTs膜的制备过程和结构表征。(A) 膜的制备过程示意图; (B) GNM/CNTs膜转移到PDMS衬底上的实物图; (C) 膜的SEM表征; (D) 红圈部分的放大SEM表征; (E) 膜的TEM表征; (F) CVDG, G/SWNT, GNM/SWNT以及SWNT的Raman表征; (G) graphene和GNM的STEM表征; (I) 氧等离子体处理后的GNM孔尺寸分布
图3. GNM/CNTs膜的脱盐性能测试结果。(A) 错流正渗透测试系统中，水分子透过膜的示意图; (B) 膜承受压力随着膜孔隙率以及衬底孔径改变的等值线图; (C) 错流正渗透测试中，水分子、盐离子跨膜通量; (D) 跨膜水通量随KCl浓度变化测试结果; (E) G/SWNT, GNM/SWNT膜的脱盐率测试结果; (F) 错流反渗透测试系统示意图; (G) GNM/SWNT膜对典型的盐和染料截留率测试结果; (H) GNM/SWNT膜的水通量和截留性能与文献中的商业渗透膜以及石墨烯基膜对比图
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Yanbing Yang, Xiangdong Yang, Ling Liang, Yuyan Gao, Huanyu Cheng,Xinming Li, Mingchu Zou, Anyuan Cao, Renzhi Ma, Quan Yuan, Xiangfeng Duan, Large-areagraphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration. Science 364, 1057-1062 (2019).
文章来源： OIL实验室
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