氧化石墨烯渗透膜的制备及其性能研究

1、会计学1氧化石墨烯渗透膜的制备及其性能研究氧化石墨烯渗透膜的制备及其性能研究石墨烯石墨烯,氧化石墨烯氧化石墨烯及其分离膜的及其分离膜的结构结构1氧化石墨烯及其超滤分离膜的制备氧化石墨烯及其超滤分离膜的制备2不同厚度的氧化石墨烯分离膜对有机染料溶液的分离性能3本研究课题的总结与展望4目录目录contents01石墨烯的结构示意图：石墨烯的结构示意图：石墨烯的三维结构图石墨烯的三维结构图石墨烯的二维结构图石墨烯的二维结构图二维石墨烯片层演变成二维石墨烯片层演变成C60、碳纳米管和石墨、碳纳米管和石墨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

2、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

3、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，

4、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高锰酸钾和高锰酸钾和0.375 g石墨粉石墨粉。01混合均匀之后混合均匀之后50摄氏度水浴摄氏度水浴12小时，然后冷却至室温。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 %的过的过氧化氢氧化氢0.5 mL，直到溶液变为亮黄色，直到溶液变为亮黄色。03向反

5、应烧杯中加入向反应烧杯中加入20 mL质量分数为质量分数为12 %的盐酸，然后冷却至室温。的盐酸，然后冷却至室温。04把产物离心十次以上，然后水洗，直到其把产物离心十次以上，然后水洗，直到其PH值为值为6。05氧化石墨烯制备：方法二氧化石墨烯制备：方法二真空抽滤系统真空抽滤系统抽滤的氧化石墨烯抽滤的氧化石墨烯分离膜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。该系统的组成装置主要有滤杯、滤瓶、多孔陶瓷片、滤膜、金、滤瓶、多孔陶瓷片、滤膜、金属夹和真空泵，其主要的用途就属夹

6、和真空泵，其主要的用途就是液相分离。是液相分离。氧化石墨烯分离膜制备过程氧化石墨烯分离膜制备过程氧化石墨烯分散液的制备：将氧化石墨烯分散液的制备：将0.2 gGO粉末，加入到粉末，加入到1000 mL去离子水中，室温下超声去离子水中，室温下超声处理处理2 h，即得到均匀稳定的，即得到均匀稳定的GO分散液，再将其分散液，再将其pH调节至调节至7.0左右。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膜的滤杯里膜的滤杯里,然后然后启动真空泵，当滤杯中的液体被抽干后，即能得到厚度不等均匀的启动真空泵，当滤杯中的液体被抽干

7、后，即能得到厚度不等均匀的氧化石墨烯氧化石墨烯分离膜。分离膜。03伊文思蓝原溶液和滤液的紫外伊文思蓝原溶液和滤液的紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱伊文思蓝溶液的紫外伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲线可见吸收光谱的标准拟合曲线计算出该曲线的方程式：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

8、光度计测量出它的紫外出它的紫外-可见吸收光谱。然后，与伊文思蓝溶液的紫外可见吸收光谱。然后，与伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲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。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，即其对伊文思蓝溶液的截留率

9、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，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（质量分数为分数为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（）。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（）和水通量（58 Lh-1m-2bar-1)。罗丹明原溶液和滤液的紫外罗丹明原溶液和滤液的紫外-可见吸收光可见吸收光谱谱罗丹明溶液的紫外罗丹明溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲可见吸收光谱的标准拟合曲线线计算出该曲线的方程式：计算出该曲线的方程式

10、：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，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-可见吸收光可见吸收光谱。然后，与伊文思蓝溶液的紫外谱。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。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从而，下一步可以计算出该厚度的GO分离膜的截留率大小。分离膜的截留率大小。氧化

11、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，体积为5 mL的的GO分分散液抽滤成的散液抽滤成的GO分离膜对浓度为分离膜对浓度为50 mg/L的罗丹明溶液的分离性能较好，此时，膜的截

12、的罗丹明溶液的分离性能较好，此时，膜的截留率为留率为80%，水通量也达到了约，水通量也达到了约72.5 Lh-1m-2bar-1GO 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氧化石墨烯的表征分析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。吸收峰

13、位吸收峰位归属官能团归属官能团3420R-OH的的OH伸缩振动峰伸缩振动峰2930、2850CH2反对称伸缩振动峰反对称伸缩振动峰1724C=O伸缩振动峰伸缩振动峰1629C-C骨架骨架1730C-OH对称伸缩振动峰对称伸缩振动峰1250C-O-C对称伸缩振动峰对称伸缩振动峰1100C-O对称伸缩振动峰对称伸缩振动峰左表为左表为GO的的FT-IR吸收峰对照吸收峰对照表，对照此表和表，对照此表和GO的傅里叶的傅里叶变换红外光谱图可以知道变换红外光谱图可以知道GO表面有哪些含氧官能团。表面有哪些含氧官能团。04总结与展望总结与展望 石墨烯作为一种石墨烯作为一种“准二维准二维”的平面结构，从其的平面

14、结构，从其2004年被发现到年被发现到2011年获得诺贝年获得诺贝尔奖，仅仅用了尔奖，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，所以对大规模制备石墨烯的原料，所以对GO的研究也是至关重要。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

15、等优点。因此，简单和价格低廉等优点。因此，GO分离膜未来在分离领域的应用具有巨大的潜力分离膜未来在分离领域的应用具有巨大的潜力。 但是，在实验过程中，也遇到了不少困惑，如在测试膜的分离性能时，随着过但是，在实验过程中，也遇到了不少困惑，如在测试膜的分离性能时，随着过滤时间增长，膜的截留效果逐渐下降，这都需要学术界更深入的研究，并给予理滤时间增长，膜的截留效果逐渐下降，这都需要学术界更深入的研究，并给予理论上的解释。还有就是，如何把论上的解释。还有就是，如何把GO分离膜从实验上转移到实际生活应用当中去，分离膜从实验上转移到实际生活应用当中去，是一个急需解决的问题。我相信，随着对石墨烯，氧化石墨烯

16、，氧化石墨烯分离是一个急需解决的问题。我相信，随着对石墨烯，氧化石墨烯，氧化石墨烯分离膜更加深入的研究，它们的巨大的应用潜力一定会实现的。膜更加深入的研究，它们的巨大的应用潜力一定会实现的。石墨烯的结构示意图：石墨烯的结构示意图：石墨烯的三维结构图石墨烯的三维结构图石墨烯的二维结构图石墨烯的二维结构图二维石墨烯片层演变成二维石墨烯片层演变成C60、碳纳米管和石墨、碳纳米管和石墨氧化石墨烯分离膜制备过程氧化石墨烯分离膜制备过程氧化石墨烯分散液的制备：将氧化石墨烯分散液的制备：将0.2 gGO粉末，加入到粉末，加入到1000 mL去离子水中，室温下超声去离子水中，室温下超声处理处理2 h，即得到均

17、匀稳定的，即得到均匀稳定的GO分散液，再将其分散液，再将其pH调节至调节至7.0左右。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膜的滤杯里膜的滤杯里,然后然后启动真空泵，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氧化石墨烯分离膜。分离膜。伊文思蓝溶液的紫外伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲线可见吸收光谱的标准拟合曲线计算出该曲线的方程式：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

18、同厚度的氧化石墨烯分离膜过滤之后，会产该拟合曲线作用为：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。然后，与伊文思蓝溶液的紫外-可见吸收光谱的标准拟合曲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。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，对罗丹明溶液的水氧化石墨烯分离膜的厚度增大，其对罗丹