摘要
超滤膜能有效截留海水中有机物和微生物，可用于反渗透法海水淡化工艺的预处理单元中，以减缓反渗透膜受到的有机污染和生物污染。但在海水过滤时，超滤膜表面也存在Ca2+、Mg2+结垢、有机物污染以及细菌粘附等问题，导致超滤膜的通量下降，膜清洗频繁，使用寿命减少。因此，研制抗Ca+、Mg2+结垢、抗有机物污染和抗细菌粘附的超滤膜，对于提高超滤膜在海水淡化预处理中的效能有重要的意义。本文拟制备功能化氧化石墨烯材料，对超滤膜进行改性，以探究改性膜的抗污染性能及机理。 本文中首先采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯(GO)，对GO进行羧基化处理得到羧基化氧化石墨烯(CGO)、在GO表面接枝抗菌性季铵盐基团得到季铵盐化氧化石墨烯(QGO)。通过红外光谱、扫描电子显微镜等表征方法对三种材料的化学组成和微观结构进行表征。结果表明:GO、CGO和QGO，均含有大量的亲水性含氧官能团，保持了良好的纳米片层结构，可用作膜材料改性剂。 本文进一步以聚偏氟乙烯(PVDF)作为制备超滤膜的基质材料，GO、CGO和QGO分别作为膜材料的改性剂，通过相转化法制备出GO改性PVDF超滤膜(GO-M)、CGO改性PVDF超滤膜(CGO-M)和QGO改性PVDF超滤膜(QGO-M)，同时制备未添加改性剂的PVDF超滤膜(Blank-M)作为对照样品，并对制备的各种膜材料进行了一系列表征和性能测试。 相关的测试结果表明，碳纳米材料GO、CGO和QGO的引入均可有效提升膜表面的亲水性及渗透性能。在pH=4～10的范围内，膜的表面电位始终保持了QGO-M＞Blank-M＞GO-M＞CGO-M的趋势，QGO-M表面相对较高的电位是因为膜表面引入了带有正电荷的季铵盐基团。以通量恢复率为指标，对含Ca2+、Mg2+的水溶液、含腐殖酸(HA)的水溶液、含Ca2+、Mg2+和腐殖酸混合物的水溶液以及添加了腐殖酸的模拟海水进行了膜的过滤实验，测试膜的抗污染性能。QGO-M对以上四种溶液保持了92.3％～95.65％的通量恢复率，优于其他膜材料，这是因为QGO-M表面有带正电的季铵盐基团，能够有效抵抗Ca+、Mg2+的结垢;同时二价阳离子和带负电荷的HA络合，减少了HA的表面负电性，抑制了HA与QGO-M间的静电吸引，减少了有机物污染，因此其表现出良好的抗海水中Ca+、Mg2+、有机物等污染的能力。此外，膜材料与细菌的共培养实验表明，相比于Blank-M，改性膜的抗菌性能均有一定提升。其中QGO-M的抑菌率可达到95.7％以上，机理分析认为，该种膜材料改性后，表面亲水性的改善以及共混入的QGO的特殊结构都有助于提高其抑菌能力，尤其接枝的季铵盐基团，是一种广谱抗菌基团，可以灭活与之接触的细菌，达到抑菌效果。因此，Q-GM的抗菌能力更为突出。
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