氧化石墨烯滲透膜的制備及其性能研究

1、會計學1氧化石墨烯滲透膜的制備及其性能研究氧化石墨烯滲透膜的制備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離膜的及其分離膜的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)1氧化石墨烯及其超濾分離膜的制備氧化石墨烯及其超濾分離膜的制備2不同厚度的氧化石墨烯分離膜對有機染料溶液的分離性能3本研究課題的總結(jié)與展望4目錄目錄contents01石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖：石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖：石墨烯的三維結(jié)構(gòu)圖石墨烯的三維結(jié)構(gòu)圖石墨烯的二維結(jié)構(gòu)圖石墨烯的二維結(jié)構(gòu)圖二維石墨烯片層演變成二維石墨烯片層演變成C60、碳納米管和石墨、碳納米管和石墨01氧化石墨烯薄片層與層之間的縫隙02氧化石墨烯分離膜的結(jié)構(gòu)特征 氧化石墨烯超濾分離膜是由許多的單層

2、原子厚度的GO薄片緊緊地平行堆疊而形成的層狀構(gòu)造分離膜，GO分離膜的厚度可由GO分散液體積來控制。GO分離膜的過濾通道是由兩部分構(gòu)成的：02氧化石墨烯的制備：方法一石墨的預氧化a、稱量2g K2S2O8和2g P2O5，加入到9.6 mL濃硫酸中攪拌混合，再將1.2 g石墨粉（325目）加入到上述2 g K2S2O8、2g P2O5，和9.6 mL濃硫酸混合物中，在80攝氏度下攪拌混合，保持4.5小時。b、初產(chǎn)物自然冷卻到室溫，加200 mL水，泡一晚上。用0.45微米濾膜，將水濾掉。再用水過濾2遍。產(chǎn)物在干燥箱中干燥，60度左右。預氧化的石墨再氧化a、初產(chǎn)物中加入48 mL濃硫酸，攪拌，浸在

3、冰水浴中的溫度不超過20攝氏度。再緩慢加入6g KMnO4（如果是15g KMnO4須時間約30分鐘，此步重要，務(wù)必緩慢加入KMnO4），水浴35攝氏度下攪拌保持2-3小時，產(chǎn)物為黃綠色，再加入100 mL水攪拌（緩慢加水），溫度保持在80攝氏度以下（或冰水浴50攝氏度以下）（此步重要，須插溫度計，倒水過程注意控制溫度），紅棕色（血塊顏色），此過程攪拌2小時，之后加入280 mL水，保持5分鐘，之后，攪拌過程中（緩慢）加入8 mL 30% H2O2,（第一次中，使用移液器每次0.1 mL，顏色瞬時變?yōu)槌戎伾┍３?5分鐘。b、把溶液進行酸洗（加入400 mL 10 wt%鹽酸3000轉(zhuǎn)離心，

4、1次），再水洗（加入水8000轉(zhuǎn)離心4-5次，每次5分鐘），最后PH值到達4-5。c、干燥。45 mL濃硫酸和濃硫酸和5 mL濃磷酸混合于燒杯中，在室溫下并磁力攪拌下向燒杯中緩慢加入濃磷酸混合于燒杯中，在室溫下并磁力攪拌下向燒杯中緩慢加入2.25 g高錳酸鉀和高錳酸鉀和0.375 g石墨粉石墨粉。01混合均勻之后混合均勻之后50攝氏度水浴攝氏度水浴12小時，然后冷卻至室溫。小時，然后冷卻至室溫。02將產(chǎn)物緩慢地倒入加有冰塊的燒杯中，再向其加入適量分數(shù)為將產(chǎn)物緩慢地倒入加有冰塊的燒杯中，再向其加入適量分數(shù)為30 %的過的過氧化氫氧化氫0.5 mL，直到溶液變?yōu)榱咙S色，直到溶液變?yōu)榱咙S色。03向反

5、應燒杯中加入向反應燒杯中加入20 mL質(zhì)量分數(shù)為質(zhì)量分數(shù)為12 %的鹽酸，然后冷卻至室溫。的鹽酸，然后冷卻至室溫。04把產(chǎn)物離心十次以上，然后水洗，直到其把產(chǎn)物離心十次以上，然后水洗，直到其PH值為值為6。05氧化石墨烯制備：方法二氧化石墨烯制備：方法二真空抽濾系統(tǒng)真空抽濾系統(tǒng)抽濾的氧化石墨烯抽濾的氧化石墨烯分離膜分離膜氧化石墨烯分離膜的制備真空抽濾技術(shù)是一種常用的化學真空抽濾技術(shù)是一種常用的化學實驗室技術(shù)，其裝置如右圖所示實驗室技術(shù)，其裝置如右圖所示。該系統(tǒng)的組成裝置主要有濾杯。該系統(tǒng)的組成裝置主要有濾杯、濾瓶、多孔陶瓷片、濾膜、金、濾瓶、多孔陶瓷片、濾膜、金屬夾和真空泵，其主要的用途就屬夾

6、和真空泵，其主要的用途就是液相分離。是液相分離。氧化石墨烯分離膜制備過程氧化石墨烯分離膜制備過程氧化石墨烯分散液的制備：將氧化石墨烯分散液的制備：將0.2 gGO粉末，加入到粉末，加入到1000 mL去離子水中，室溫下超聲去離子水中，室溫下超聲處理處理2 h，即得到均勻穩(wěn)定的，即得到均勻穩(wěn)定的GO分散液，再將其分散液，再將其pH調(diào)節(jié)至調(diào)節(jié)至7.0左右。左右。用移液器分別取不同梯次體積的氧化石墨烯分散液加入到已經(jīng)裝有用移液器分別取不同梯次體積的氧化石墨烯分散液加入到已經(jīng)裝有PC膜的濾杯里膜的濾杯里,然后然后啟動真空泵，當濾杯中的液體被抽干后，即能得到厚度不等均勻的啟動真空泵，當濾杯中的液體被抽干

7、后，即能得到厚度不等均勻的氧化石墨烯氧化石墨烯分離膜。分離膜。03伊文思藍原溶液和濾液的紫外伊文思藍原溶液和濾液的紫外-可見吸收光譜可見吸收光譜伊文思藍溶液的紫外伊文思藍溶液的紫外-可見吸收光譜的標準擬合曲線可見吸收光譜的標準擬合曲線計算出該曲線的方程式：計算出該曲線的方程式：y=0.06878x+0.02282該擬合曲線作用為：伊文思藍溶液經(jīng)過不同厚度的氧化石墨烯分離膜過濾之后，會產(chǎn)該擬合曲線作用為：伊文思藍溶液經(jīng)過不同厚度的氧化石墨烯分離膜過濾之后，會產(chǎn)生不同濃度的濾液，該濾液的濃度無法直接測量，需要通過紫外可見分光光度計測量生不同濃度的濾液，該濾液的濃度無法直接測量，需要通過紫外可見分光

8、光度計測量出它的紫外出它的紫外-可見吸收光譜。然后，與伊文思藍溶液的紫外可見吸收光譜。然后，與伊文思藍溶液的紫外-可見吸收光譜的標準擬合曲可見吸收光譜的標準擬合曲線對比得出其濃度大小。從而，下一步能夠計算出該厚度的線對比得出其濃度大小。從而，下一步能夠計算出該厚度的GO分離膜的截留率大小。分離膜的截留率大小。氧化石墨烯分離膜的對伊文思藍分離性能隨其膜厚度的變化 隨著氧化石墨烯分離膜的厚度增大，其對伊文思藍溶液的水通量不斷減小，但是隨著氧化石墨烯分離膜的厚度增大，其對伊文思藍溶液的水通量不斷減小，但是其對伊文思藍溶液的截留率不斷增大。從圖中可以看出，紅黑兩條曲線的交點，即其對伊文思藍溶液的截留率

9、不斷增大。從圖中可以看出，紅黑兩條曲線的交點，即橫坐標約為橫坐標約為13 mL，其表示用于抽濾成膜的氧化石墨烯分散液的體積為，其表示用于抽濾成膜的氧化石墨烯分散液的體積為13 mL（質(zhì)量（質(zhì)量分數(shù)為分數(shù)為0.02 %）。在此處的膜厚度的氧化石墨烯分離膜同時兼?zhèn)漭^好的截留率（）。在此處的膜厚度的氧化石墨烯分離膜同時兼?zhèn)漭^好的截留率（58 %）和水通量（）和水通量（58 Lh-1m-2bar-1)。羅丹明原溶液和濾液的紫外羅丹明原溶液和濾液的紫外-可見吸收光可見吸收光譜譜羅丹明溶液的紫外羅丹明溶液的紫外-可見吸收光譜的標準擬合曲可見吸收光譜的標準擬合曲線線計算出該曲線的方程式：計算出該曲線的方程式

10、：y=0.20154x-0.02744 羅丹明溶液經(jīng)過不同厚度的氧化石墨烯分離膜過濾之后，會產(chǎn)生不同濃度的濾液，羅丹明溶液經(jīng)過不同厚度的氧化石墨烯分離膜過濾之后，會產(chǎn)生不同濃度的濾液，該濾液的濃度無法直接測量，需要通過紫外可見分光光度計測量出它的紫外該濾液的濃度無法直接測量，需要通過紫外可見分光光度計測量出它的紫外-可見吸收光可見吸收光譜。然后，與伊文思藍溶液的紫外譜。然后，與伊文思藍溶液的紫外-可見吸收光譜的標準擬合曲線對比得出其濃度大小。可見吸收光譜的標準擬合曲線對比得出其濃度大小。從而，下一步可以計算出該厚度的從而，下一步可以計算出該厚度的GO分離膜的截留率大小。分離膜的截留率大小。氧化

11、石墨烯分離膜的對羅丹明分離性能隨其厚度的變化 氧化石墨烯分離膜的厚度增大，其對羅丹明溶液的截留率增大，對羅丹明溶液的水氧化石墨烯分離膜的厚度增大，其對羅丹明溶液的截留率增大，對羅丹明溶液的水通量減小；反之，氧化石墨烯分離膜的厚度減小，其對羅丹明溶液的截留率減小，對羅通量減小；反之，氧化石墨烯分離膜的厚度減小，其對羅丹明溶液的截留率減小，對羅丹明溶液的水通量增大。由此圖可以看出，用質(zhì)量分數(shù)為丹明溶液的水通量增大。由此圖可以看出，用質(zhì)量分數(shù)為0.02 %，體積為，體積為5 mL的的GO分分散液抽濾成的散液抽濾成的GO分離膜對濃度為分離膜對濃度為50 mg/L的羅丹明溶液的分離性能較好，此時，膜的截

12、的羅丹明溶液的分離性能較好，此時，膜的截留率為留率為80%，水通量也達到了約，水通量也達到了約72.5 Lh-1m-2bar-1GO 的形貌分析： 為了獲得GO的形貌特征，我們采用了透射電子顯微鏡對制備的GO進行表征。右圖為GO的透射電鏡圖，四張圖片的放大倍數(shù)不同。 從右圖可以看出，氧化石墨在乙醇溶液中超聲后已經(jīng)很好地剝離，形成接近單層的氧化石墨烯，呈無序分布狀態(tài)，表面有褶皺。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的光譜分析： 為了測定出GO表面有哪些含氧官能團，我們對制備的GO測定了它的傅里葉變換紅外光譜。右圖為GO的傅里葉變換紅外光譜圖。吸收峰

13、位吸收峰位歸屬官能團歸屬官能團3420R-OH的的OH伸縮振動峰伸縮振動峰2930、2850CH2反對稱伸縮振動峰反對稱伸縮振動峰1724C=O伸縮振動峰伸縮振動峰1629C-C骨架骨架1730C-OH對稱伸縮振動峰對稱伸縮振動峰1250C-O-C對稱伸縮振動峰對稱伸縮振動峰1100C-O對稱伸縮振動峰對稱伸縮振動峰左表為左表為GO的的FT-IR吸收峰對照吸收峰對照表，對照此表和表，對照此表和GO的傅里葉的傅里葉變換紅外光譜圖可以知道變換紅外光譜圖可以知道GO表面有哪些含氧官能團。表面有哪些含氧官能團。04總結(jié)與展望總結(jié)與展望 石墨烯作為一種石墨烯作為一種“準二維準二維”的平面結(jié)構(gòu)，從其的平面

14、結(jié)構(gòu)，從其2004年被發(fā)現(xiàn)到年被發(fā)現(xiàn)到2011年獲得諾貝年獲得諾貝爾獎，僅僅用了爾獎，僅僅用了6年的時間，創(chuàng)造了最短獲獎記錄，這充分說明了研究者對其給予年的時間，創(chuàng)造了最短獲獎記錄，這充分說明了研究者對其給予了高度關(guān)注，對其的研究也越來越深入。而了高度關(guān)注，對其的研究也越來越深入。而GO是石墨烯的一種重要衍生物，也是是石墨烯的一種重要衍生物，也是大規(guī)模制備石墨烯的原料，所以對大規(guī)模制備石墨烯的原料，所以對GO的研究也是至關(guān)重要。的研究也是至關(guān)重要。 GO超濾分離膜是氧化石墨烯的一個重要應用，它具有分離性能好，制備過程超濾分離膜是氧化石墨烯的一個重要應用，它具有分離性能好，制備過程簡單和價格低廉

15、等優(yōu)點。因此，簡單和價格低廉等優(yōu)點。因此，GO分離膜未來在分離領(lǐng)域的應用具有巨大的潛力分離膜未來在分離領(lǐng)域的應用具有巨大的潛力。 但是，在實驗過程中，也遇到了不少困惑，如在測試膜的分離性能時，隨著過但是，在實驗過程中，也遇到了不少困惑，如在測試膜的分離性能時，隨著過濾時間增長，膜的截留效果逐漸下降，這都需要學術(shù)界更深入的研究，并給予理濾時間增長，膜的截留效果逐漸下降，這都需要學術(shù)界更深入的研究，并給予理論上的解釋。還有就是，如何把論上的解釋。還有就是，如何把GO分離膜從實驗上轉(zhuǎn)移到實際生活應用當中去，分離膜從實驗上轉(zhuǎn)移到實際生活應用當中去，是一個急需解決的問題。我相信，隨著對石墨烯，氧化石墨烯

16、，氧化石墨烯分離是一個急需解決的問題。我相信，隨著對石墨烯，氧化石墨烯，氧化石墨烯分離膜更加深入的研究，它們的巨大的應用潛力一定會實現(xiàn)的。膜更加深入的研究，它們的巨大的應用潛力一定會實現(xiàn)的。石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖：石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖：石墨烯的三維結(jié)構(gòu)圖石墨烯的三維結(jié)構(gòu)圖石墨烯的二維結(jié)構(gòu)圖石墨烯的二維結(jié)構(gòu)圖二維石墨烯片層演變成二維石墨烯片層演變成C60、碳納米管和石墨、碳納米管和石墨氧化石墨烯分離膜制備過程氧化石墨烯分離膜制備過程氧化石墨烯分散液的制備：將氧化石墨烯分散液的制備：將0.2 gGO粉末，加入到粉末，加入到1000 mL去離子水中，室溫下超聲去離子水中，室溫下超聲處理處理2 h，即得到均

17、勻穩(wěn)定的，即得到均勻穩(wěn)定的GO分散液，再將其分散液，再將其pH調(diào)節(jié)至調(diào)節(jié)至7.0左右。左右。用移液器分別取不同梯次體積的氧化石墨烯分散液加入到已經(jīng)裝有用移液器分別取不同梯次體積的氧化石墨烯分散液加入到已經(jīng)裝有PC膜的濾杯里膜的濾杯里,然后然后啟動真空泵，當濾杯中的液體被抽干后，即能得到厚度不等均勻的啟動真空泵，當濾杯中的液體被抽干后，即能得到厚度不等均勻的氧化石墨烯氧化石墨烯分離膜。分離膜。伊文思藍溶液的紫外伊文思藍溶液的紫外-可見吸收光譜的標準擬合曲線可見吸收光譜的標準擬合曲線計算出該曲線的方程式：計算出該曲線的方程式：y=0.06878x+0.02282該擬合曲線作用為：伊文思藍溶液經(jīng)過不

18、同厚度的氧化石墨烯分離膜過濾之后，會產(chǎn)該擬合曲線作用為：伊文思藍溶液經(jīng)過不同厚度的氧化石墨烯分離膜過濾之后，會產(chǎn)生不同濃度的濾液，該濾液的濃度無法直接測量，需要通過紫外可見分光光度計測量生不同濃度的濾液，該濾液的濃度無法直接測量，需要通過紫外可見分光光度計測量出它的紫外出它的紫外-可見吸收光譜。然后，與伊文思藍溶液的紫外可見吸收光譜。然后，與伊文思藍溶液的紫外-可見吸收光譜的標準擬合曲可見吸收光譜的標準擬合曲線對比得出其濃度大小。從而，下一步能夠計算出該厚度的線對比得出其濃度大小。從而，下一步能夠計算出該厚度的GO分離膜的截留率大小。分離膜的截留率大小。氧化石墨烯分離膜的對羅丹明分離性能隨其厚度的變化 氧化石墨烯分離膜的厚度增大，其對羅丹明溶液的截留率增大，對羅丹明溶液的水氧化石墨烯分離膜的厚度增大，其對羅丹