电化学辅助石墨相氮化碳纳米片的制备以及分离膜的构筑

作     者：张娅 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛健

授予年度：2022年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：膜分离 g-C3N4纳米片 电化学辅助合成 

摘      要：膜分离作为一种环保节能、简单高效的分离技术,已经被广泛应用于化工和制药行业。然而由传统材料制备的分离膜面临着选择性和渗透性难以兼得的问题,制约了膜分离技术的进一步发展。二维纳米片具有微米级横向尺寸和原子级厚度,由此产生的高纵横比使其有可能成为高性能膜的构建组块,其中石墨相氮化碳(g-CN)纳米片因其规则的孔结构、优异的稳定性和独特的表面性质,在膜分离应用领域得到广泛关注。虽然目前g-CN纳米片已经应用于水处理、气体分离、渗透汽化等膜分离过程,但是g-CN纳米片膜的发展仍存在一定的局限性,例如g-CN纳米片的传统制备需要高温等苛刻条件;采用真空抽滤法等制膜方法组装g-CN纳米片膜时存在膜结构有序度较差等问题。针对以上挑战,本文以电化学辅助的手段实现g-CN纳米片的常温制备以及g-CN纳米片膜的有序组装,主要研究内容如下:(1)为了简化g-CN纳米片的制备流程,采用电化学合成的方式,以三聚氰胺和Na OH为原料,在常温下制备g-CN纳米片。表征结果表明,所制备的g-CN纳米片基本保持了g-CN材料的本征结构。通过考察反应时间、通电电压及Na OH用量对g-CN纳米片的形貌、结构和产率的影响,确定30 min的反应时间,5 V的电压,0.4 M的Na OH浓度是最佳制备条件;通过探究电化学合成g-CN纳米片的机理,证明该过程中羟基自由基的存在是反应进行的关键因素;最后与热化学法(包括热聚合和热氧化剥离两个过程)相比而言,电化学法不仅能够实现g-CN纳米片的快速高效的获取,也有利于减小其纵向尺寸。此外,该方法制备的g-CN纳米片存在更丰富的氨基和羟基官能团,这使其在水中具有更好的分散性及稳定性。另外采用真空抽滤的方式将热化学法和电化学法所制得的纳米片分别组装成膜,并测试其分离性能。其中后者对伊文斯蓝(EB)染料分子的截留率可达90%以上,明显高于前者,原因在于电化学法制得的纳米片堆叠得更为紧密。(2)为了实现膜的有序组装,在前述工作的基础上,利用电化学合成的g-CN纳米片具有的带电特性,采用电泳沉积法将纳米片快速组装在AAO基底上,得到g-CN纳米片膜。通过各种表征手段证明g-CN纳米片在电泳沉积过程中结构不会受到破坏,且该膜具有超亲水性质,因此水分子进入膜内通道的能垒较低,从而有利于水的渗透,提高分离性能。测试结果表明,膜厚为165 nm的g-CN纳米片膜的纯水通量约为90 L m h bar,对尺寸大于1.2 nm的染料分子的截留率高达98%,截留分子量为670 Da,这一分离性能明显优于真空抽滤膜。该膜优异的性能得益于在电泳沉积过程中具有丰富电荷的大尺寸纳米片优先沉积在基底上,从而提高了膜的内部结构有序度。另外在分离过程中残余液的浓度随着时间的延长而增大,并且g-CN纳米片膜对尺寸不同的染料分子可实现精确分离,表明该膜对染料分子的截留主要是基于尺寸筛分的机理。此外,g-CN纳米片膜在高压和酸碱环境下表现出相当高的稳定性,同时也具备长时间操作稳定性。