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北工大在稳定GO基分离膜结构调控及水纯化技术领域获重大进展
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日期:2021-02-03 23:35:33来源:物联中国 点击:513
核心提示:近日,北京工业大学环境与生命学部安全福教授团队与中国工程院外籍院士、耶鲁大学Menachem Elimelech教授团队合作,在高稳定GO基分离膜结构调控以及水纯化技术领域取得重要研究进展。其研究成果以“高稳定快速水传输多级孔氧化石墨烯分离膜”(Graphene Oxide Membranes with Stable Porous Structure for Ultra...

近日,北京工业大学环境与生命学部安全福教授团队与中国工程院外籍院士、耶鲁大学Menachem Elimelech教授团队合作在高稳定GO基分离膜结构调控以及水纯化技术领域取得重要研究进展。其研究成果以“高稳定快速水传输多级孔氧化石墨烯分离膜”(Graphene Oxide Membranes with Stable Porous Structure for Ultrafast Water Transport)为题在国际顶尖学术期刊《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表。该项成果以北京工业大学为第一完成单位,环境与生命学部2017级博士生张文海为论文的第一作者,Menachem Elimelech教授和安全福教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目(No:21878004和21576003)和北京市长城学者计划等资助。

水资源短缺已成为影响人类健康、经济和社会可持续发展的重大挑战。高性能分离膜是解决水净化和资源化的重要手段。膜材料是纳滤膜分离技术的关键,2D氧化石墨烯(GO)材料具有超快水传输速率、精准二维传质通道、高抗污染性和易于超薄化加工的独特优势,在新型高性能分离膜领域具有巨大的应用潜力。研究表明,水分子在GO分离膜内的传递主要依靠GO片层间形成的横向二维纳米通道和GO片层边缘间形成的纵向贯通孔道,GO膜制备过程中不可控贯通的产生导致了其在长期运行过程中通量急剧衰减,限制了其高性能分离膜的应用。因此,如何实现对水传质通量的精准调控是获得高性能GO分离膜的关键。

(博士生张文海)

基于以上研究背景,北工大安全福教授团队提出“冷冻干燥-原位晶化”两步法构建稳定的纳米和亚纳米结构的GO分离膜,首先采用纳米冰晶模板技术同步扩增膜内二维层间通道和纵向贯通纳米通道,大幅度降低传质阻力;进一步在纵向贯通纳米孔处原位生长ZIF-8。复合结构保持了原有GO层间快速水传质的二维亚纳米通道,同时构筑了ZIF-8非连续堆积的纵向贯穿纳米通道,优化了纵向通道孔结构,强化了膜结构的稳定性与水的传质,实现了膜的选择性、水通量和稳定性的同步大幅提升。所制备的膜在连续错流运行条件下较原始GO膜的水通量提高近30倍,并展现出更为优异的截留性能。研究人员利用低场核磁技术分析了膜制备过程中的孔结构演化,研究了溶剂分子在GO/ZIF-8膜中的弛豫行为,阐明了水的高渗透性机制。该研究为制备基于二维材料的多级孔结构纳滤膜开辟了新的途径,为探测膜内多级孔微观结构提供了新技术手段。

该项成果的取得离不开北工大膜科学与技术团队的长期工作积淀。该团队以纪树兰教授等为代表,是我国较早从事化工材料与分离工程研究的实验室之一,长期以来专注于膜材料设计、组件制备、污染控制及膜应用工程研究,在学校和学部的支持下,逐步建成为膜科学与技术的基础研究与应用创新平台,先后承担了多项国家973、863课题,国家自然科学基金、北京市科委、北京市教委、北京市自然科学基金及企业委托课题,研究成果在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Membr. Sci., AIChE J., Chem.Eng.J,Chem Eng.Sci.等国际权威学术刊物发表,部分研究成果实现了规模化制备与工程应用。

来源:北京工业大学


出处:物联中国
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