多层氧化石墨烯膜的结构、性能及在水处理中的应用进展

工业废水对环境的污染和人体的危害日趋严重,该问题亟待处理。在众多污水处理方法中,膜分离因选择性强、分离性能高而受到广泛应用。膜分离主要利用尺寸筛分和静电排斥原理进行超滤、纳滤、反渗透和正渗透等,但传统的膜材料如偏聚氟乙烯、聚砜、聚酰胺等存在污染物截留率低、机械强度差、耐氯性差等缺点,使膜技术面临巨大的难题与挑战。近年来,石墨烯的研究热潮推动了高分子膜材料的高速发展,氧化石墨烯(GO)优越的性能使GO分离膜成为备受关注的研究热点之一,利用GO纳米片组装的多层结构在增强膜分离性能方面显示出巨大的潜力。与GO改性的常规分离膜不同,多层GO膜物理力学性能和化学稳定性更高,并可通过结构设计如层数、氧化程度、改性状况、层间距等来改善分离效果。多层膜的渗透性与分离层的层数有关,膜层数增加可以提高膜的抗穿透性和选择性;石墨烯的氧化程度决定了GO的层数、亲水性和电荷性质,还原程度的增加有利于膜渗透性的提升,氧化程度则有利于分离性能的提升;可以通过改变电荷性质对GO膜进行改性,从而增强GO与目标分子或离子的相互作用。GO纳米通道的结构则影响着水分子的形态和运输,利用分子动力学可模拟和预测多层GO膜的分离性能。本文简要介绍了多层GO膜的制备方法,探讨了结构控制与GO膜分离性能的关系,详细介绍了GO膜的层数、氧化程度、改性、层间距对分离性能的影响,并通过分子动力学对多层GO膜分离进行模拟分析;展望了其在水处理领域面临的机遇与挑战。