氧化石墨烯基薄膜在海水淡化中的应用研究

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氧化石墨烯(graphene oxide,GO)基薄膜具有良好的渗透性以及优异的筛分性,在海水淡化领域已经展现出了巨大的潜力。但是目前GO基薄膜在走向应用的过程中仍面临着一些问题。作为过滤膜,一般通过制备超薄的GO基薄膜提升其水通量,但是大通量的超薄GO基薄膜往往牺牲了其在高压过滤过程中的长时间稳定性;作为界面光热蒸发器,GO基薄膜依然面临着表面和体相盐沉积带来的吸光率降低和水供应不足等问题。因此,为了解决上述问题,推动GO基薄膜在海水淡化领域的实际应用,本文开展了如下两个工作:(1)研究了高通量、高稳定性的分层设计的还原氧化石墨烯(hierarchically designed reduced graphene oxide,HrGO)膜的过滤性能。通过水热法一步制备了分层结构的HrGO膜。通过超薄(20 nm)过滤层和多孔支撑层的分层设计,保证了HrGO膜的高通量。同时在水热过程中生成了层间醚键,增强了还原氧化石墨烯片的层间作用力,使得HrGO膜在水体中的稳定性得以提升。最终在错流过滤条件下达到了39.8-51.2 L m-2 h-1 bar-1的水通量和长达300 h的错流过滤运行时间。HrGO膜为推动GO基薄膜在海水淡化领域的实际化应用提供了一种新思路。(2)研究了还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)膜的抗盐性能。我们制备了一种自漂浮的抗盐沉积的rGO膜作为界面光热蒸发器。由于rGO膜具有对太阳光>94%的吸光率、低的层间热导率、良好的水传输的特点,在1k W m-2的太阳光辐照下,rGO膜在3.5 wt%的盐水中具有1.27 kg m-2 h-1的高蒸发速率,对应的光热转换效率为79%。并且得益于rGO膜的小且稳定的层间间距(3.7(?)),使其对于水合盐离子具有良好的截留能力。在处理3.5 wt%的盐水以及更高浓度的盐水(>5 wt%)时,rGO膜在40 h内没有盐沉积现象并且始终维持稳定的界面光热蒸发。rGO膜具有高的光蒸发速率、优异的抗盐能力、柔韧性和稳定性,在界面光热蒸发领域和高浓盐水处理领域具有广阔的前景。
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