共價改性氧化石墨烯/聚砜混合基質膜的研究進展

李盼瑩 , 周媛媛 , 耿丹陽 , 吳 冰 , 代夢瑩

(華北水利水電大學 環境與市政工程學院 , 河南 鄭州 450046)

0 前言

1 氧化石墨烯/聚砜膜

通過共混法對聚砜膜進行改性是一種方便的技術,在聚砜膜中加入氧化石墨烯可以提高膜的性能。GANESH等[5]報道了聚砜/氧化石墨烯混合基質膜的合成,以研究其耐鹽性,結果表明,添加氧化石墨烯之后對Na2SO4的截留率高達72%。BADRINEZHAD等[6]制備了不同氧化石墨烯比例的聚砜/氧化石墨烯復合膜,PSF/GO-1.25對MB的截留效率為84.20%。NASSERI等[7]合成了聚砜/氧化石墨烯納米復合膜去除水中的雙酚A(BPA),在最佳實驗條件下,BPA的去除率高達93%。RAVISHANKAR等[8]制備了GO-PSF共混超濾膜,與原PSF膜相比,制備的膜的親水性和孔隙率均有所提高,結果表明,質量1%的GO-PSF膜在0.1 MPa壓力下對鉛的截留率高達98%。結果表明,氧化石墨烯/聚砜膜在水處理領域具有廣闊的應用前景。

2 氧化石墨烯共價功能化

氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團可以增強親水性,因此,氧化石墨烯可以用于提高聚砜膜的滲透性、選擇性和機械強度等性能。然而,氧化石墨烯在聚砜中的聚集是需要解決的問題,對其功能化是一個合適的解決方案。氧化石墨烯的共價功能化可以通過多種技術來實現,主要是基于氧化石墨烯表面豐富的含氧官能團與功能分子之間的化學反應,其表面存在大量的羧基、環氧基和羥基,提供反應位點,容易發生化學反應,如異氰化、羧基酰化、環氧開環、重氮化和加成[9-11]。

不同官能團共價功能化氧化石墨烯如表1所示,通過對氧化石墨烯進行共價改性,使其能夠更好地分散在聚砜膜中,進一步提高氧化石墨烯/聚砜膜的性能。

表1 共價改性氧化石墨烯/聚砜膜的性能

2.1 羧基功能化

2.2 環氧基功能化

環氧基可與含氨基或巰基的分子發生親核加成反應,環氧基開環形成羥基。例如,XU等[19]合成了含氧疊氮基功能化氧化石墨烯(AGO)納米片,通過氫鍵、共價鍵和靜電相互作用與聚合物基體產生強相互作用,在聚砜膜中獲得了較高的分散性和界面相容性,AGO/PSF混合基質膜純水通量高達245.1 L/(m2·h),對BSA的截除率為95.8%;此外,AGO/PSF膜的通量回收率(80.3%)遠遠高于PSF膜(64.9%),具有良好的抗污能力,同時對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抗菌活性。

2.3 羥基功能化

羥基可與氨基、酰基、異氰酸等發生化學反應,但由于羥基的反應活性次于羧基和環氧基,所以發生化學反應時主要以羧基和環氧基為主。ZHAO等[20]制備了異氰酸酯改性氧化石墨烯/聚砜膜,異氰酸酯可以與氧化石墨烯的羥基和羧基反應形成氨基甲酸酯和酰胺官能團,通過異氰酸酯的連接,相鄰的氧化石墨烯納米片之間可以形成牢固的共價鍵。此外,REHAN等[21]將C-GO納米片加入聚砜膜基質中,將羥基(—OH)官能團轉化為羧基(—COOH)官能團,增加羧基的含量,羧基與聚砜膜的功能基團之間具有很強的氫鍵作用,可以有效分散到聚砜中,增加膜的親水性,從而去除染料廢水等。

3 總結

本文綜述了共價改性氧化石墨烯/聚砜混合基質膜的研究進展,通過對氧化石墨烯進行共價改性,提高氧化石墨烯在聚砜膜中的分散性和相容性,制備出具有較高的水通量、選擇性和抗污染性能的膜。盡管有這些進步,但仍需要探索更多的改性方法,以提高滲透性,實現更高的選擇性,用于染料分離、油水分離、金屬離子去除和乳品行業的蛋白質分離等。