摘要
膜分离是一种新兴的水处理技术，具有设备简单、操作方便、处理效率高和节省能量等优点，在海水淡化、纺织工业、食品工业、医药工业、资源回收、环境工程等众多领域中展现出良好的应用前景。二维（2D）纳米材料化学的巨大进步为膜和膜工艺的可持续发展提供了丰富的机会，2D材料纳米片堆叠形成的层状膜有望实现在纳米和亚纳米尺度内可控的质量传递。石墨烯是最具代表性的2D纳米材料之一，近年来，以氧化石墨烯（GO）为2D构件的混维膜材料在水处理领域研究引起了广泛关注。然而，GO片层本征缺陷密度低、孔径小，由纯的GO构成的分离膜具有非常高的选择性，但水通量太低，无法满足实际应用需要。本论文从混维膜渗透通道设计角度出发，以刻蚀纳米孔的GO为主体材料，一维无机二氧化钛（TiO2）纳米线或一维高分子聚苯胺（PANI）纳米线为客体，通过真空辅助自组装方法构筑一种内嵌一维（1D）纳米纤维的多孔氧化石墨烯（PGO）混维膜材料，通过考察PGO主体氧化刻蚀程度、客体种类、主客体比例、复合膜厚度等结构参数对水通量、BSA和染料的通量/截留率的影响，研究了混维膜渗透通道的构建与其纳滤性能的关系，取得主要结果如下： 1、通过改良的Hummers方法制备GO，进一步通过过氧化氢水热刻蚀制备PGO，与水热反应制备的TiO2纳米纤维复合，以PVDF中空纤维膜为基底，通过真空过滤辅助自组装工艺制备了PGO/TiO2中空纤维复合膜。系统研究了孔径尺寸和TiO2纳米纤维含量对复合膜纳滤性能的影响。研究发现，当氧化刻蚀时间为4h时，产生的纳米孔直径在几纳米到十几纳米之间，与相同条件下没有纳米孔的复合膜相比，在不牺牲染料截留率的条件下水通量提升了1.6~2.6倍。刻蚀时间延长至8h后，产生的纳米孔达到几百纳米，GO纳米片完整性受到破坏，制备的复合膜纳滤性能大幅降低。 2、通过氧化聚合法制备了PANI纳米纤维，与PGO纳米片复合制备了新型PGO/PANI中空纤维复合膜。研究发现PANI纳米纤维插层石墨烯纳米片层间，抑制了石墨烯纳米片的堆叠，与纳米孔协同调控产生了适合水分子快速穿透复合膜的纳米通道。纳米孔的引入使复合膜的水通量较无孔相比提升了3.6~6.6倍，对染料分子的截留率并没有降低。随着刻蚀时间延长纳米孔孔径达到几百纳米以后，复合膜的水通量虽然得到进一步提升，但对染料分子截留率急剧降低。研究还发现，由于静电排斥使得复合膜对带负电的染料分子具有更高的截留率（接近100%）。
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