氧化石墨烯渗透膜的制备及其性能研究.pptx

论文题目：氧化石墨烯超渗透膜的制备及其性能研究,答辩人：滕冲 学号：1206020126 专业：应用物理学 指导老师：范晓彦,青岛科技大学,目录,contents,01,简单介绍石墨烯,氧化石墨烯及其分离膜的结构,石墨烯的结构示意图：,石墨烯的三维结构图,石墨烯的二维结构图,二维石墨烯片层演变成C60、碳纳米管和石墨,理想石墨烯被认为是单层二维无限大的平面结构，看成是被剥离的一个原子厚度石墨分子层。其中每个碳原子的杂化方式都是sp2，并且都把p轨道上的一个剩余电子拿出来共同结合成一个大键。在实际中，石墨烯的表层有很多十分微小的起伏和褶皱，是一种“准平面”结构。,氧化石墨烯的结构图：,氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物，如图所示，它的结构与石墨烯大体一致，其与石墨烯不同之处在于它的表面连接有很多含氧官能团。正是因为这些含氧官能团的存在，使得氧化石墨烯具备了一些新的特性，如亲水性、分散性和兼容性等。,氧化石墨烯分离膜中无规则的褶皱构造形成的半圆柱通道,01,氧化石墨烯薄片层与层之间的缝隙,02,氧化石墨烯分离膜的结构特征,氧化石墨烯超滤分离膜是由许多的单层原子厚度的GO薄片紧紧地平行堆叠而形成的层状构造分离膜，GO分离膜的厚度可由GO分散液体积来控制。GO分离膜的过滤通道是由两部分构成的：,02,氧化石墨烯分离膜制备的具体实验过程,氧化石墨烯的制备：方法一,石墨的预氧化,a、称量2g K2S2O8和2g P2O5，加入到9.6 mL浓硫酸中搅拌混合，再将1.2 g石墨粉（325目）加入到上述2 g K2S2O8、2g P2O5，和9.6 mL浓硫酸混合物中，在80摄氏度下搅拌混合，保持4.5小时。 b、初产物自然冷却到室温，加200 mL水，泡一晚上。用0.45微米滤膜，将水滤掉。再用水过滤2遍。产物在干燥箱中干燥，60度左右。,预氧化的石墨再氧化,a、初产物中加入48 mL浓硫酸，搅拌，浸在冰水浴中的温度不超过20摄氏度。再缓慢加入6g KMnO4（如果是15g KMnO4须时间约30分钟，此步重要，务必缓慢加入KMnO4），水浴35摄氏度下搅拌保持2-3小时，产物为黄绿色，再加入100 mL水搅拌（缓慢加水），温度保持在80摄氏度以下（或冰水浴50摄氏度以下）（此步重要，须插温度计，倒水过程注意控制温度），红棕色（血块颜色），此过程搅拌2小时，之后加入280 mL水，保持5分钟，之后，搅拌过程中（缓慢）加入8 mL 30% H2O2,（第一次中，使用移液器每次0.1 mL，颜色瞬时变为橙汁颜色）保持15分钟。 b、把溶液进行酸洗（加入400 mL 10 wt%盐酸3000转离心，1次），再水洗（加入水8000转离心4-5次，每次5分钟），最后PH值到达4-5。 c、干燥。,45 mL浓硫酸和5 mL浓磷酸混合于烧杯中，在室温下并磁力搅拌下向烧杯中缓慢加入2.25 g高锰酸钾和0.375 g石墨粉。,01,混合均匀之后50摄氏度水浴12小时，然后冷却至室温。,02,将产物缓慢地倒入加有冰块的烧杯中，再向其加入适量分数为30 %的过氧化氢0.5 mL，直到溶液变为亮黄色。,03,向反应烧杯中加入20 mL质量分数为12 %的盐酸，然后冷却至室温。,04,把产物离心十次以上，然后水洗，直到其PH值为6。,05,氧化石墨烯制备：方法二,真空抽滤系统,抽滤的氧化石墨烯分离膜,氧化石墨烯分离膜的制备,真空抽滤技术是一种常用的化学实验室技术，其装置如右图所示。该系统的组成装置主要有滤杯、滤瓶、多孔陶瓷片、滤膜、金属夹和真空泵，其主要的用途就是液相分离。,氧化石墨烯分离膜制备过程,氧化石墨烯分散液的制备：将0.2 gGO粉末，加入到1000 mL去离子水中，室温下超声处理2 h，即得到均匀稳定的GO分散液，再将其pH调节至7.0左右。 用移液器分别取不同梯次体积的氧化石墨烯分散液加入到已经装有PC膜的滤杯里,然后启动真空泵，当滤杯中的液体被抽干后，即能得到厚度不等均匀的氧化石墨烯分离膜。,03,不同厚度的氧化石墨烯分离膜的分离性能,氧化石墨烯分离膜对伊文思蓝溶液的分离性能,我们所配置的GO分散液的质量分数是0.02 %。为了研究不同厚度的GO分离膜对其分离性能的影响，我们分别采用了10 mL、15 mL、20 mL、25 mL、30 mL、35 mL的氧化石墨烯分散液抽滤成膜。然后，用这些不同厚度的氧化石墨烯分离膜对浓度为10 mg/L的伊文思蓝溶液进行膜的分离性能的测试，我们采取固定体积的伊文思蓝溶液，其体积为20 mL。,伊文思蓝原溶液和滤液的紫外-可见吸收光谱,伊文思蓝溶液吸光度-浓度标准工作曲线的绘制,配制浓度分别为2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、5 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L的伊文思蓝标准溶液，然后Lambda 35 型分光光度计对上述伊文思蓝标准溶液进行扫描，得到一条曲线，这条曲线反映了伊文思蓝对光的吸收，做浓度-吸光度标准工作曲线并拟合，得浓度-吸光度方程。,伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲线,计算出该曲线的方程式：y=0.06878x+0.02282,该拟合曲线作用为：伊文思蓝溶液经过不同厚度的氧化石墨烯分离膜过滤之后，会产生不同浓度的滤液，该滤液的浓度无法直接测量，需要通过紫外可见分光光度计测量出它的紫外-可见吸收光谱。然后，与伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲线对比得出其浓度大小。从而，下一步能够计算出该厚度的GO分离膜的截留率大小。,氧化石墨烯分离膜的对伊文思蓝分离性能随其膜厚度的变化,随着氧化石墨烯分离膜的厚度增大，其对伊文思蓝溶液的水通量不断减小，但是其对伊文思蓝溶液的截留率不断增大。从图中可以看出，红黑两条曲线的交点，即横坐标约为13 mL，其表示用于抽滤成膜的氧化石墨烯分散液的体积为13 mL（质量分数为0.02 %）。在此处的膜厚度的氧化石墨烯分离膜同时兼备较好的截留率（58 %）和水通量（58 Lh-1m-2bar-1)。,氧化石墨烯分离膜对罗丹明溶液的分离性能,配置的罗丹明溶液浓度为50 mg/L，每次用于进行测试的溶液体积为20 mL,而氧化石墨烯分散液的质量分数依旧是0.02 %。分别取体积为5 mL、10 mL、15 mL、20 mL的氧化石墨烯分散液抽滤成膜，然后分别进行测试。,罗丹明原溶液和滤液的紫外-可见吸收光谱,罗丹明溶液吸光度-浓度标准工作曲线的绘制,准确配制浓度分别为1.5 mg/L、2 mg/L、2.5 mg/L、3 mg/L、3.5 mg/L、4 mg/L的罗丹明标准溶液，然后Lambda 35 型分光光度计对上述罗丹明标准溶液进行扫描，得到一条曲线，这条曲线反映了罗丹明对光的吸收，做浓度-吸光度标准工作曲线并拟合，得浓度-吸光度方程。,罗丹明溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲线,计算出该曲线的方程式：y=0.20154x-0.02744,罗丹明溶液经过不同厚度的氧化石墨烯分离膜过滤之后，会产生不同浓度的滤液，该滤液的浓度无法直接测量，需要通过紫外可见分光光度计测量出它的紫外-可见吸收光谱。然后，与伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲线对比得出其浓度大小。从而，下一步可以计算出该厚度的GO分离膜的截留率大小。,氧化石墨烯分离膜的对罗丹明分离性能随其厚度的变化,氧化石墨烯分离膜的厚度增大，其对罗丹明溶液的截留率增大，对罗丹明溶液的水通量减小；反之，氧化石墨烯分离膜的厚度减小，其对罗丹明溶液的截留率减小，对罗丹明溶液的水通量增大。由此图可以看出，用质量分数为0.02 %，体积为5 mL的GO分散液抽滤成的GO分离膜对浓度为50 mg/L的罗丹明溶液的分离性能较好，此时，膜的截留率为80%，水通量也达到了约72.5 Lh-1m-2bar-1,GO 的形貌分析： 为了获得GO的形貌特征，我们采用了透射电子显微镜对制备的GO进行表征。右图为GO的透射电镜图，四张图片的放大倍数不同。 从右图可以看出，氧化石墨在乙醇溶液中超声后已经很好地剥离，形成接近单层的氧化石墨烯，呈无序分布状态，表面有褶皱。,氧化石墨烯的表征分析,氧化石墨烯的表征分析,GO的物相分析： 右图为优选条件下制备的GO的X射线衍射图谱（XRD）。 从右图中可以看出，横坐标为10和42两处的峰为氧化石墨烯。,氧化石墨烯的表征分析,GO的光谱分析： 为了测定出GO表面有哪些含氧官能团，我们对制备的GO测定了它的傅里叶变换红外光谱。右图为GO的傅里叶变换红外光谱图。,左表为GO的FT-IR吸收峰对照表，对照此表和GO的傅里叶变换红外光谱图可以知道GO表面有哪些含氧官能团。,04,总结与展望,总结与展望,石墨烯作为一种“准二维”的平面结构，从其2004年被发现到2011年获得诺贝尔奖，仅仅用了6年的时间，创造了最短获奖记录，这充分说明了研究者对其给予了高度关注，对其的研究也越来越深入。而GO是石墨烯的一种重要衍生物，也是大规模制备石墨烯的原料，所以对GO的研究也是至关重要。 GO超滤分离膜是氧化石墨烯的一个重要应用，它具有分离性能好，制备过程简单和价格低廉等优点。因此，