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摘 要

制备类石墨烯材料，观察类石墨烯的形貌结构，探究碳材料对PSF聚砜膜的改性。通过相转化法制膜工艺制备出含C的聚砜复合膜，由于碳材料具有二维层状构造，所形成的复合膜相比于纯聚砜膜性能更优，可以改善膜的通量、抗污染性，在水处理方面得到更广泛的应用。

关键词：复合膜、类石墨烯、通量、抗污染性、相转化法

Synthesis of carbon dioxide materials and modification of PSF ultrafiltration membrane

ABSTRACT

The graphene-like materials were prepared, and the morphology and structure of the graphene-like graphene were observed. The modification of the PSF polysulfone membrane by carbon materials was investigated. The polysulfone composite membrane containing C is prepared by the phase inversion membrane forming process. Since the carbon material has a two-dimensional layered structure, the formed composite membrane has better performance than the pure polysulfone membrane, and can improve the membrane flux and resistance. Contaminant, it is more widely used in water treatment.

Key words：Composite film、Graphene-like、Water flux、Anti-pollution、Phase inversion method

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

第二章 实验部分 4

2.1 主要试剂及实验设备仪器 4

2.2 碳材料制备 4

2.3 PSF膜制备 5

2.4 结构表征 5

2.5复合膜性能表征 5

第三章 实验结果分析 8

3.1 碳粉的结构和形貌 8

3.2不同含碳量的PSf/C复合膜的接触角 9

3.3 PSf/C复合膜的通量和截留性能 9

第四章 结论与展望 13

参考文献 14

致谢 17

第一章 前言

资源问题在国际上一直是焦点问题，相比于世界上的其他国家，我国的水资源比较紧缺，水污染问题愈发严重，寻找高效净化水资源的方法刻不容缓。其中膜分离技术的普及让废水回收利用变为可能。

膜分离技术是分离科学中最重要的手段之一，在水处理方面得到非常广泛的应用，与传统的水处理技术相比，膜分离技术具有更多的优点，如分离效率高、选择性好、耗能低、适应性强、水质高、无化学变化等。目前膜分离过程包含: 膜蒸馏、膜生物反应器、支撑液膜、膜萃取、仿生膜、生物膜以及控制释放膜等过程。膜分离过程主要是将分离膜看成将两相分开的隔离物质，把这种隔离物质称为薄膜，简称膜，膜具有渗透性，但是在分离过程中也可能表现出半渗透性。膜可以在两个流体之间付诸支撑体，导致膜的表面积与厚度非常小，膜材料可以是天然的或者人工合成的。膜分离技术针对不同的液体或气体的组分，在混合物中所表现出的选择渗透作用性能是不同的。膜分离技术的实质就是利用膜的选择渗透作用之间具有的的差异性作为膜分离作用的主要推动力，并且在化学位差或外界能量等的作用下，选混合物中需要透过的物质进行选择性分离。^【1，2】

超滤技术作为膜分离中最广泛的应用，在水处理方面具有重要的地位和发展前景。超滤膜技术根据市场的需要以及各个工业领域的要求大致可分三种：分离、纯化和浓缩。目前为止，工业中大多数的超滤膜都是通过有机聚合物材料制备得到，主要聚合物材料包括、聚苯烯腈、聚偏氟乙烯、聚砜树脂、醋酸纤维素、聚酰胺和聚醚砜等。超滤膜分离溶质的机理为: 一次吸附、阻塞和筛分。筛分部分是在压力的作用下，小分子的溶质和溶剂透过膜转移到低压侧，而大分子溶质无法透过膜，使料液的浓度逐渐增大，最后以浓溶液的形式被分离。所以可以利用微孔模型来代表超滤的传递过程。超滤系统的运行方式分为两种：错流过滤和全量过滤。全量过滤是使料液全部流过超滤膜，溶剂和小分子溶质可以穿过膜，大分子的溶质组分无法通过而被截留在膜表面。全量过滤的回收率较高，但缺点是膜污染严重。错流过滤是料液主体在平行于膜面的方向上流动，透过液可以透过膜。而流动的料液具有的动能可以将在膜面上的结垢物质冲走。错流过滤可以减少污染，但缺点是回收率较低。^【3】

单相聚合物膜的选择性和渗透性之间相互限制，拥有较好渗透性的膜选择性较差，两者不可兼得。是膜材料发展的新方向，它可以打破单相聚合物膜选择性和渗透性之间的制约关系。膜的基本性能由通量、截留、抗污染性能等决定。在一定掺杂量的情况下，（无机-有机）复合膜通量、截留率、抗污染性以及机械强度均优于纯有机膜。

近年来研究者们已经开始意识到了二维无机纳米材料与有机聚合物共混的复合膜相比于其他膜具有明显的优势。在不加入添加剂的情况下，二维填料具有层状结构，有利于填料在聚合物基体中均匀分散。并且二维填料可以在聚合物基体中自发地形成类似砖与砂浆之间的结构，这种砖与砂浆之间结构有益于在膜分离过程中的分子扩散，从而提高复合膜的膜分离性能。在使用具有多孔性结构的二维材料作为填料时，面内约束的差异和跨平面的约束差异将促进分子扩散的各向异性，从而提高膜的选择性和渗透性。在无机–有机复合膜的研究领域中，例如石墨烯、叶状沸石咪唑钠盐骨架纳米片和粘土等二维材料作为填充物已被广泛用在反渗透膜、超滤膜和渗透汽化膜等研究中。已经证实的是，填料为二维材料的复合膜，膜的分离性能相比于以一维材料作填料的复合膜和纯聚合物膜具有明显的优势。

石墨烯是一种二维原子晶体材料，由碳原子sp²杂化轨道组成，日常生活中的石墨则是由一层层以蜂巢晶格通过一定顺序排列的碳原子通过堆叠形成的，由于石墨的层间分子作用力比较弱，可以很轻松地将石墨剥离成薄薄的石墨片。把薄薄的石墨片继续剥离成单层，当单层厚度仅有一个碳原子时就是石墨烯。石墨烯的导电以及导热性能都非常好。而把具有二维单层以及少层结构的材料的统称为类石墨烯材料。类石墨烯材料主要分为层状范德华固体材料、层状离子固体材料等。

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