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垂直排列GO复合高分子滤膜可提高膜的抗生物污染性能
《OIL实验室》微信公众号 / 时间:2018-10-09 10:11:45

  据OIL实验室微信公众平台2018年10月7日讯 膜技术在目前海水脱盐领域有着相当重要的地位,TFC(Thin Film Composite,复合薄膜)水处理过滤膜因其低成本、高效率在该领域应用广泛,但是膜的生物污染是限制其应用的重要因素,它会显著降低膜的通量、截留率和使用寿命。提高膜的抗生物污染方面的研究有很多,包括使用具有杀菌效果的纳米材料以及制备涂层等等。石墨烯作为一种二维碳纳米材料具有独特的物理化学性质,它作为接触型的杀菌剂被证明对多种微生物具有杀菌效果。多项研究结果表明,石墨烯的边缘是其具有杀菌效果的主要原因,边缘通过物理刺穿以及化学氧化使细菌和微生物失活。因此,如果石墨烯的边缘在膜表面更多地暴露将有助于提高其抗生物污染的效果。目前,采用石墨烯提高水处理膜的抗生物污染的工作主要是将石墨烯添加到高分子中,或用石墨烯制备涂层,这些情况下,石墨烯的边缘不能充分暴露并发挥作用。
  近日,耶鲁大学的课题组利用氧化石墨烯(GO)在磁场中可以垂直排列的性质制备了边缘充分暴露的GO改性高分子膜,显著提高了膜的抗生物污染性能。在改工作中,GO、聚合物和溶剂的混合物在磁场中经历一个缓慢的溶剂挥发过程,制备得到GO垂直排列的高分子纳米复合水处理膜。测试结果表明,在FO过程中,GO的加入不会影响高分子膜的水通量和脱盐,但是垂直排列的GO明显提高了膜的抗生物污染性能。
  聚酰胺型TFC薄膜复合膜和相分离法制备的高分子过滤膜不适合用垂直排布的GO进行改性,因为其成膜时间非常短,在该过程中磁场的作用时间太短,因此本工作中选用的是成膜速度较慢的PODH高分子过滤膜。图1.(E)所示为该膜的制备流程示意图,制备完成后用氧等离子体刻蚀掉表层的部分聚合物,使GO片的边缘更充分暴露出来以发挥抗菌效果。Raman、AFM和SEM的表征结果显示,GO片在高分子膜表面是垂直排布的。测试结果表明,在高分子膜中加入GO并不会影响膜本身的过滤分离性能,但是平板计数法采样菌落结果显示垂直排布的GO片提高了高分子膜的抗菌性能。


图1.(A) PODH的合成路线;(B)合成的PODH聚合物的FTIR光谱;(C)合成的PODH聚合物NMR光谱;(D)PODH / DMF混合物中GO纳米片的2D SAXS图谱;(E)膜制备过程示意图;(F)使用镊子将GO高分子复合膜从培养皿上剥离图片

图2.(A) 采用三种表征手段证明GO片是垂直排布的;(B)Raman表征结果;(C)AFM表征结果;(D)SEM膜截面表征结果

图3.(A) 用于脱盐测试的FO装置示意图;(B)膜的脱盐性能测试结果;(C)膜表面大肠杆菌相对数量统计结果;(D)未垂直排布和垂直排布的GO高分子膜表面的大肠杆菌典型SEM图片