氧化石墨烯改性纳滤膜的制备及其在离子型稀土浸矿尾水中的应用

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离子型稀土是国家战略资源,其特殊的提取方法,决定了在正常开采完后,山体中流出的水(尾水)仍然含有氨氮和稀土离子,一方面污染环境,另一方面导致稀土损失,因此,研究尾水中稀土的回收具有重要意义,与常规原地浸矿尾水处理方法相比,纳滤膜既能达到很好处理效果又可对尾水中稀土离子富集回收。本文将自制氧化石墨烯改性纳滤膜应用于尾水中稀土的回收,具有创新性和实用性。(1)采用Hummers法制备氧化石墨烯(GO),利用浓硫酸(H2SO4)和KMnO4对石墨进行氧化,破坏石墨层间作用力,达到石墨片层被彻底氧化且剥离。对获得的氧化石墨烯的微观、化学结构表征显示:氧化石墨烯呈薄片状结构,边缘有褶皱重叠现象,这些褶皱的出现可为纳滤膜增加输水通道,进而改善其渗透性;氧化石墨烯中的羧基(—COOH)、羟基(—OH)等亲水性官能团,使其具有了亲水性;该氧化石墨烯的C:O=62:38,层间距0.83nm,表明石墨在氧化过程中的规整度被破坏了,石墨片层已被成功的氧化剥离。氧化石墨烯的这些特性为将其用于纳滤膜的亲水性改性提供了依据。(2)以聚砜超滤膜(PSF)为基膜,以水相中哌嗪(PIP)和有机相中均苯三甲酰氯(TMC)为活性单体,通过二者发生界面聚合反应来进行对纳滤膜的制备,同时在水相中添加氧化石墨烯将其引入纳滤膜,实现改性。对获得的纳滤膜微观结构和化学结构及渗透性能表征,表明氧化石墨烯的加入使纳滤膜表面凸起增加,粗糙度降低,当添加量为0.07wt%GO时,凸起形成团聚且粗糙度上升;经改性后含氮量增加、含亲水性官能团增加、水接触角减小,表明亲水性增强,且在不同pH下,其负电性均强于未改性的纳滤膜;随着氧化石墨烯添加量的增加,盐截留率呈现降低趋势,膜水通量逐渐升高,在添加量为0.06wt%时,水通量达到最大,为98.2L/(m2·h),当添加量高于0.07wt%GO时,水通量下降。综合分析表明,氧化石墨烯改性纳滤膜制备成功,且氧化石墨烯添加量为0.040.06wt%时,膜渗透性能较好。(3)采用氧化石墨烯含量为0.06wt%的改性纳滤膜和未改性纳滤膜分别对离子型稀土浸矿尾水中稀土离子进行富集试验,将尾水中La、Y、Nd、Pr和Ce配制成浓度为0.0013mol/L溶液。结果表明,两种膜在进料流量为56L/(m2·min)、操作压力为0.6 MPa0.8MPa、pH为4.55.0、温度为25℃30℃时,对稀土离子的富集达最佳。且改性纳滤膜对稀土溶液的富集效果优于未改性纳滤膜,在最佳条件下,二者对稀土溶液截留的水通量分别为23.348.3L/(m2·h)、15.537.35L/(m2·h),对稀土离子的回收率分别为82.399.2%、73.489.6%。在抗污染性能试验中,经16h的截留后,未改性纳滤膜的纯水通量恢复率为78.5%,而改性纳滤膜的纯水通量恢复率为95.1%,表明经氧化石墨烯改性的纳滤膜具有更强的抗污染性能。
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