胡念，左浩然，付佳蓓，呂慧，童奕皓，劉慧清，曹貴平

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石墨烯摻雜聚砜基正滲透膜的結(jié)構(gòu)和性能

胡念，左浩然，付佳蓓，呂慧，童奕皓，劉慧清，曹貴平

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

采用相轉(zhuǎn)化法分別制備了摻雜有石墨、石墨烯和氧化石墨烯的聚砜正滲透（FO）膜支撐層，通過間苯二胺和均苯三甲酰氯間的界面聚合在支撐層表面制備了聚酰胺活性層。采用掃描電子顯微鏡（SEM）表征膜表面和斷面的結(jié)構(gòu)形貌，測(cè)定膜孔隙率和親水性，考察不同摻雜物時(shí)FO膜的性能。結(jié)果表明，摻雜石墨烯和氧化石墨烯，支撐層斷面結(jié)構(gòu)更加疏松，孔隙率和純水透過常數(shù)（PWP）明顯增加，制備的相應(yīng)FO膜性能得到改善，水通量增大。摻雜石墨則導(dǎo)致支撐層上表面變粗糙，斷面結(jié)構(gòu)密實(shí)，其孔隙率減小，PWP值降低，膜性能變差。其中，摻雜了氧化石墨烯的FO膜表現(xiàn)出最好的性能，水通量在活性層朝向驅(qū)動(dòng)液側(cè)（AL-DS）模式下可達(dá)37.10L/(m2×h)，相比無摻雜FO膜增加了38.7%。

氧化石墨烯；摻雜；正滲透；膜；結(jié)構(gòu)；性能

淡水資源短缺一直是全球面臨的重大問題，海水淡化等水處理是解決淡水資源短缺的主要途徑之 一[1]。目前，反滲透技術(shù)在水凈化領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但反滲透需要較大外部壓力，能耗偏高，對(duì)膜力學(xué)性能要求高[2-3]。近年來快速發(fā)展的正滲透（FO）技術(shù)可以很好地解決這些問題[4-7]，F(xiàn)O以滲透壓為驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)膜兩側(cè)的水從低滲透壓側(cè)流向高滲透壓側(cè)，只要FO膜兩側(cè)存在滲透壓差，即可自發(fā)進(jìn)行，無需外加驅(qū)動(dòng)力，從而大大降低能耗。

作為FO過程的關(guān)鍵組件，F(xiàn)O膜結(jié)構(gòu)直接影響著膜的性能和分離效率[8]。然而，目前FO膜大多存在水通量低、鹽通量高等問題[9]。為提高FO膜性能，需對(duì)膜進(jìn)行改性。其中摻雜改性是改善FO膜結(jié)構(gòu)和性能的重要方法[10-11]，如將二氧化鈦[12]、二氧化硅[13]、NaY型沸石納米粒子[14]和功能化碳納米管[15]等親水性物質(zhì)添加到FO膜支撐層中，提高支撐層親水性和孔隙率，有效緩和內(nèi)部濃差極化，增加了膜水通量，但鹽通量普遍有所升高。

近年來，作為一種新型的二維碳材料，石墨烯（GE）材料具有比表面積大、力學(xué)性能好、水分子在GE表面滑移速率快等優(yōu)點(diǎn)[16-17]，吸引學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。氧化石墨烯（GO）作為GE的衍生物，與GE有類似的性質(zhì)，同時(shí)GO表面含有豐富的羥基、羧基等含氧官能團(tuán)，具有良好的親水 性[18]。GE表面水分子滑移速率快和GO親水性好這兩種特性為作者提供了如何對(duì)FO膜進(jìn)行改性的思路。

本文在FO膜支撐層中分別摻雜石墨（GI）、GE和GO，制備FO膜，研究其結(jié)構(gòu)，考察其性能，探討其構(gòu)效關(guān)系。本工作對(duì)制備高性能FO膜有著良好的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚砜（PSF，w約為40000），上海曙奧化工有限公司；-甲基吡咯烷酮（NMP）、,-二甲基甲酰胺（DMF）、1,3-苯二胺（MPD）和1,3,5-苯三甲酰氯（TMC），上海阿拉丁生化科技股份有限公司，均為分析純；正己烷和氯化鈉（NaCl），上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；GI，青島金日來石墨有限公司；去離子水（DI），由反滲透去離子水裝置Mempure-H2O-0025制得；高純N2，上海南耀氣體有限公司；GE分散液和GO，實(shí)驗(yàn)室制備。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 支撐層的制備

采用浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化法制備支撐層。通過超聲將2.00×10?3g/g的GI（或GE、GO）均勻分散至NMP和DMF質(zhì)量比為1∶1的混合溶劑中。加入0.10g/g的PSF，磁力攪拌至PSF完全溶解。聚合物溶液靜置12h，脫去里面的氣泡。

用200μm高的刮刀在玻璃平板上將聚合物溶液刮制成液膜，迅速將帶有聚合物液膜的玻璃平板完全浸入去離子水中，10min后取出，用去離子水淋洗3次，浸泡在去離子水中，備用。

1.2.2 聚酰胺活性層的制備

通過界面聚合在支撐層上表面制備聚酰胺活性層。將0.02g/g的MPD水溶液倒在支撐層的上表面，讓MPD水溶液充分浸潤(rùn)支撐層2min。浸潤(rùn)后干燥5min以除去殘留的MPD水滴。然后將0.5×10?3g/g的TMC正己烷溶液倒在支撐層表面，接觸反應(yīng)1min后除去多余的TMC正己烷溶液。室溫下自然晾干，用去離子水沖洗掉支撐層表面未反應(yīng)的單體，得到FO膜，儲(chǔ)存在去離子水中。

1.3 表征與測(cè)試

1.3.1 摻雜物和FO膜的表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM，Nova NanoSEM450）表征膜的表面、斷面形貌。采用透射式電子顯微鏡（TEM，JEM-2100）表征GE和GO的表面形貌。采用原子力顯微鏡（AFM，Veeco/DI）表征GE和GO的厚度和層數(shù)。采用紅外光譜（FTIR，AVATAR）表征GI、GE和GO中的含氧官能團(tuán)。采用水接觸角測(cè)量?jī)x（JC2000D）測(cè)量支撐層的水接觸角（CA），表征膜的親水性，CA取5次測(cè)量的平均值。

膜孔隙率（）采用稱重法[19]測(cè)定：將干燥的膜浸沒在水中24h，取出后除去表面多余的水，稱濕膜質(zhì)量；將濕膜干燥至恒重，稱干膜質(zhì)量。孔隙率的計(jì)算公式如式(1)所示。

式中，wet為濕膜質(zhì)量，g；dry為干膜質(zhì)量，g；w和m分別為水和聚合物的密度，g/cm3，本文中聚合物采用PSF，其密度為1.24g/cm3[20]。

1.3.2 FO膜水通量和反向鹽通量測(cè)試

FO膜性能的主要指標(biāo)是膜的水通量和反向鹽通量。水通量體現(xiàn)膜對(duì)水的滲透性能，反向鹽通量反映了膜對(duì)溶質(zhì)的截留性能。

水通量即單位時(shí)間內(nèi)在單位膜面積上透過FO膜的水的體積，記作w，可以通過測(cè)量正滲透過程中驅(qū)動(dòng)液質(zhì)量變化用式(2)計(jì)算得到[21]。

式中，w表示透過膜的水通量，L/(m2×h)；表示從驅(qū)動(dòng)液瓶一側(cè)流出的液體在Δ時(shí)間內(nèi)累積的體積，L；m表示與液體接觸的有效膜面積，m2；Δ表示兩次測(cè)量溢出的去離子水質(zhì)量的時(shí)間間 隔，h。

反向鹽通量指單位時(shí)間內(nèi)在單位膜面積上透過FO膜的鹽的質(zhì)量，記作s，通過測(cè)量FO過程中料液側(cè)的電導(dǎo)率變化并用式(3)計(jì)算得到[21]。

式中，s表示透過膜的反向鹽通量，g/(m2×h)；c表示時(shí)刻料液側(cè)的鹽濃度，mol/L；V表示時(shí)刻料液側(cè)的體積，L；m表示與液體接觸的有效膜面積，m2；Δ表示兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，h。

FO膜的性能測(cè)試在定制的有機(jī)玻璃FO測(cè)試裝置中進(jìn)行，膜的有效面積為12.57cm2。膜被固定在料液（FS）和驅(qū)動(dòng)液（DS）中間。采用去離子水為料液，1.5mol/L NaCl溶液為驅(qū)動(dòng)液。測(cè)試模式有AL-DS（活性層朝向驅(qū)動(dòng)液側(cè)）和AL-FS（活性層朝向料液側(cè)）兩種。

1.3.3 膜水透過常數(shù)和鹽透過常數(shù)的測(cè)量

采用反滲透（RO）裝置測(cè)量支撐層的水透過常數(shù)（PWP）、FO膜的水透過常數(shù)（）和鹽透過常數(shù)（）。

值測(cè)量步驟如下：RO裝置中，膜兩側(cè)均為去離子水，在其中一側(cè)施加0.1MPa的壓力，活性層朝向高壓側(cè)，記錄溢出液的質(zhì)量變化。值由式(4)計(jì)算得到[22]。

測(cè)量值時(shí)，RO裝置一側(cè)裝有附加0.1MPa壓力的0.2mg/g NaCl溶液，另一側(cè)用于盛透過液，測(cè)定透過液中的Na+濃度。值通過式(5)～式(8)計(jì)算得到[22]。

D=f–f(7)

j=4.777j1.036，j=f or p (8)

式中，表示膜的鹽透過常數(shù)，L/(m2·h)；表示膜的鹽截留率；p表示透過液中的NaCl溶液濃度，mol/L；f表示料液瓶的NaCl溶液濃度，mol/L；Δ表示膜兩側(cè)的滲透壓差，MPa；j表示濃度為j的NaCl溶液的滲透壓，MPa。

1.3.4 FO膜的結(jié)構(gòu)常數(shù)

FO膜的結(jié)構(gòu)常數(shù)值通常被用于評(píng)價(jià)膜內(nèi)部的濃差極化現(xiàn)象。值越小，內(nèi)部濃差極化越小。值可由式(9)計(jì)算得到[23]。

式中，表示FO膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，m；表示溶質(zhì)在去離子水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；D，b和F，m分別表示驅(qū)動(dòng)液主體和料液側(cè)膜表面的滲透壓，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻雜物的結(jié)構(gòu)與形貌

本文中GE和GO分別是采用液相物理剝離 法[24- 25]和化學(xué)氧化法[26]制備的，用FTIR和TEM等表征了它們的結(jié)構(gòu)和形貌。

圖1是GI、GE和GO的紅外光譜。從圖中可以看出，3個(gè)樣品均出現(xiàn)了以下幾個(gè)峰：在3000～3700cm?1范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)較寬、較強(qiáng)的吸收峰，來自于樣品和樣品吸附的水分子，是O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，1405cm?1處對(duì)應(yīng)O—H鍵的彎曲振動(dòng)峰，其中GE樣品在3335cm?1處還出現(xiàn)了另一個(gè)峰，也是O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，來源于吸附的水分子間的氫鍵；2925cm?1處和650cm?1處分別對(duì)應(yīng)C—H鍵的伸縮和彎曲振動(dòng)峰；1620cm?1處的吸收峰是sp2結(jié)構(gòu)中的C==C伸縮振動(dòng)峰；1260cm?1處是酚羥基中C—O鍵的伸縮振動(dòng)峰；1056cm?1處是C—O—C鍵伸縮振動(dòng)峰；此外，在GO的紅外圖譜中，在1720 cm?1處出現(xiàn)了一個(gè)峰，對(duì)應(yīng)C==O伸縮振動(dòng)峰[27]。結(jié)果表明，GI中原本就含有少量羥基、環(huán)氧基，經(jīng)液相物理剝離制備的GE也被輕微氧化，但化學(xué)氧化法制備的GO上羥基、環(huán)氧基的含量明顯增加，且出現(xiàn)了C==O，GO氧化程度較大。

圖1 GI、GE和GO的IR光譜

圖2 GI的SEM圖、GE和GO的TEM圖

圖2(a)是GI的SEM圖，可以看出GI是由很多層組成的鱗片狀結(jié)構(gòu)，尺寸為10～20μm。采用TEM，可以借助GE邊緣或褶皺處的高分辨電子顯微鏡像來估計(jì)GE的層數(shù)和尺寸[28]。圖2(b)是液相物理剝離法制備的GE的TEM圖，可以看見典型的二維片狀GE結(jié)構(gòu)。通過觀察GE片邊緣和褶皺處，發(fā)現(xiàn)該樣品由少層GE組成。圖2(c)是化學(xué)氧化法制備的GO的TEM圖，可以看出，GO片呈半透明的薄膜狀，局部位置發(fā)生了褶皺和彎曲，由少層GO組成。

圖3是GE和GO的AFM表征結(jié)果，用來測(cè)量GE和GO的厚度和層數(shù)。從圖3中可以看出，GE片尺寸較小，橫向尺寸約0.4μm，縱向尺寸約0.6μm，這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的液相超聲剝離導(dǎo)致GE片尺寸減小。GE厚度約1.5nm，層數(shù)約為3層。GO片尺寸很大，橫向尺寸約1.4μm，縱向尺寸約3μm，因GO采用化學(xué)氧化法制備，超聲剝離時(shí)間短，對(duì)GO尺寸上損害較小。但GE厚度約為4.0nm，層數(shù)為6～7層[26]，表明GO未被充分剝離開。

2.2 摻雜物對(duì)支撐層的影響

2.2.1 摻雜物對(duì)支撐層形貌的影響

為了直觀地研究不同摻雜物對(duì)支撐層的影響，采用SEM分別表征支撐層的表面和斷面形貌，如圖4和圖5。

圖4(a)～圖4(d)分別是無摻雜和摻雜GI、GE和GO的聚砜支撐層上表面的SEM圖。圖4中各支撐層上表面均較為平滑，分布著少量大小不均勻的小球和開孔，小球?yàn)镻SF聚合物。在支撐層中摻雜GE和GO對(duì)其上表面形貌影響較小。但摻雜GI時(shí)，支撐層表面明顯變粗糙，開孔孔徑變大。

圖3 GE和GO的AFM剖面高度圖

圖5(a)～圖5(d)分別是無摻雜和摻雜GI、GE和GO的聚砜支撐層斷面的SEM圖。由圖5可看出，所有的支撐層斷面均呈現(xiàn)典型的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由上部分的指狀孔和下部分的海綿狀孔構(gòu)成[29]。從圖5還可以看出，不同的摻雜物對(duì)膜的斷面形貌影響較大。當(dāng)在支撐層中摻雜GI時(shí)，膜有一層非常粗糙且密實(shí)的表層，將會(huì)導(dǎo)致滲透過程中水透過阻力增大。

圖4 PSF支撐層、GI-PSF支撐層、GE-PSF支撐層和GO-PSF支撐層表面的SEM圖

圖5 PSF支撐層、GI-PSF支撐層、GE-PSF支撐層和GO-PSF支撐層斷面的SEM圖

此外，指狀孔明顯減少，多為孔徑較小的海綿狀孔。GE作為摻雜物加到支撐層中，膜的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化，指狀孔長(zhǎng)度相對(duì)變小，大部分為孔徑較大且相互連接的海綿狀孔。GI和GE均為疏水性材料，加入鑄膜液中降低了其親水性能，相轉(zhuǎn)化過程中水和溶劑的交換速率變緩，不利于指狀大孔的形成[30]。但在支撐層中摻雜親水性的GO，指狀孔長(zhǎng)度變大，且有很多指狀孔貫穿海綿層，將有利于水的滲透。

2.2.2 摻雜物對(duì)支撐層結(jié)構(gòu)的影響

支撐層作為FO膜的關(guān)鍵部分，主要影響FO膜的水通量。高性能的FO膜需要多孔、親水的支撐層，因此測(cè)量了各支撐層的孔隙率、CA等基本參數(shù)，見圖6。

圖6 不同摻雜物對(duì)支撐層孔隙率、CA和PWP的影響

（1bar=105Pa）

由孔隙率測(cè)試結(jié)果了解到，制備的支撐層均為多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)0.8以上。其中，摻雜GE和GO會(huì)使其孔隙率比無摻雜PSF支撐層的大，而摻雜GI則導(dǎo)致孔隙率稍有降低。

采用CA測(cè)試來表征支撐層的親水性，CA越小，支撐層親水性能越好[31]。無摻雜PSF支撐層的CA為79.5°，在支撐層中摻雜GI和GE等疏水性材料會(huì)使該值增加。摻雜GO后支撐層的CA降至65.5°，這是因?yàn)镚O表面含有大量親水性官能團(tuán)，摻雜到膜中增加了膜的親水性，可促進(jìn)膜與水分子間的相互作用。

支撐層的PWP代表著水分子通過支撐層的難易程度，PWP值越高，水分子越容易通過。該值與支撐層的結(jié)構(gòu)有關(guān)，孔隙率和親水性均對(duì)它有一定的影響，通?？紫堵试酱螅H水性越好，則PWP值越高[32]。從圖6可以看出，與無摻雜PSF支撐層的PWP值相比，摻雜GE和GO使支撐層的PWP值增大，分別增加了50%和98%，而支撐層中摻雜GI則使該值低于無摻雜PSF支撐層的PWP，降低了4.5%。其中，摻雜GE后支撐層PWP值增大的原因是：雖然GE是疏水性材料，但在GE表面水分子的滑移速率很快，HUANG等[16]通過分子模擬算出該值約為400m/s，水分子受到的阻力極小，從而水分子通過膜的整體速率加快。

2.3 摻雜物對(duì)FO膜結(jié)構(gòu)和性能的影響

2.3.1 摻雜物對(duì)FO膜活性層形貌的影響

活性層主要影響的是FO膜的鹽截留性能。在PSF支撐層中摻雜不同的物質(zhì)也會(huì)對(duì)活性層的形貌有一定的影響，為了研究GI、GE和GO的摻雜對(duì)活性層的影響，采用SEM表征各活性層表面，見圖7。

圖7中，所有膜的活性層表面均呈現(xiàn)典型的溝壑結(jié)構(gòu)，是由MPD和TMC通過界面聚合形成的聚酰胺層[33]。摻雜GI的支撐層上表面存在著缺陷，有較多大小不一的開孔，MPD易滲透到支撐層內(nèi)部，因此與TMC間的反應(yīng)減弱[34]，故如圖7(b)所示，在支撐層表面形成的活性層稀疏。GO雖能很好的分散在膜中，但GHOSH[35]和SINGH[34]等猜想，在制備活性層時(shí)，支撐層中摻雜的含有含氧官能團(tuán)的親水性物質(zhì)會(huì)通過氫鍵與MPD反應(yīng)，阻礙了MPD和TMC之間的反應(yīng)，界面聚合變緩，形成較稀疏的聚酰胺活性層，這與本文制備的摻雜了GO的FO膜的活性層表面形貌一致。而GE是一種疏水性材料，不會(huì)阻礙界面聚合反應(yīng)，所以摻雜了GE的FO膜的活性層是致密的。

2.3.2 摻雜物對(duì)FO膜滲透性能的影響

測(cè)量了以1.5mol/L NaCl溶液為驅(qū)動(dòng)液，去離子水為料液，分別在AL-DS和AL-FS模式下添加了不同摻雜物的FO膜的水通量和反向鹽通量，結(jié)果如圖8(a)和(b)所示。AL-FS模式下測(cè)得的各FO膜的水通量、鹽通量均小于AL-DS模式下測(cè)得的值。AL-DS模式下，用去離子水作為料液，內(nèi)部濃差極化現(xiàn)象可忽略。而在AL-FS模式下，存在的稀釋型濃差極化導(dǎo)致支撐層內(nèi)滲透壓梯度降低，驅(qū)動(dòng)力變小，所以膜的水通量和鹽通量低[36]。

但在兩種模式下，F(xiàn)O膜的水通量和鹽通量各自的變化趨勢(shì)一致。就水通量來說，兩種模式下均是摻雜了GO的FO膜水通量最高，在AL-FS模式和AL-DS模式下的水通量分別為25.04L/(m2×h)和37.10L/(m2×h)。就鹽通量來說，兩種模式下均為摻雜了GE的FO膜鹽通量最低，分別為12.44g/(m2×h)和10.27g/(m2×h)，這是因?yàn)閾诫s了GE的FO膜活性層致密，對(duì)鹽截留性能好。

圖7 PSF FO膜、GI-PSF FO膜、GE-PSF FO膜和 GO-PSF FO膜活性層表面的SEM圖

圖8 AL-DS和AL-FS模式下無摻雜和分別摻雜GI、GE、GO的FO膜的水通量、反向鹽通量和Js/Jw比值

表1 FO膜的水透過常數(shù)（A）、鹽透過常數(shù)（B）、鹽截留率（R）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（S）

注：1bar＝105Pa

各FO膜水通量出現(xiàn)差異的現(xiàn)象可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)值來解釋。結(jié)構(gòu)參數(shù)可視為溶質(zhì)穿過支撐層，到達(dá)活性層表面所經(jīng)過的距離。值小，內(nèi)部濃差極化緩和，則膜兩側(cè)滲透壓差大，實(shí)際水通量大[37]。值是FO膜的本質(zhì)參數(shù)，與孔隙率、孔結(jié)構(gòu)等有關(guān)。通常，F(xiàn)O膜內(nèi)指狀孔道越長(zhǎng)、孔隙率越大，值越小[38]。表1中列出了各FO膜的傳質(zhì)參數(shù)，其中摻雜了GI的FO膜的值明顯大于無摻雜的，而摻雜GE和GO會(huì)使它們的值降低。尤其是當(dāng)摻雜GO時(shí)，值降至528.0μm，這是因摻雜GO使支撐層孔隙率增大，指狀孔道變長(zhǎng)導(dǎo)致的。值降低，膜內(nèi)濃差極化現(xiàn)象緩和，F(xiàn)O膜水通量增加。

膜的反向鹽通量與水通量之比（s/w）被用作評(píng)價(jià)FO膜性能好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，理想的FO膜應(yīng)有高水通量和低反向鹽通量，故s/w比值越小越 好[39]。從圖8(c)中可以看出，摻雜GE和GO后膜的s/w比無摻雜FO膜的值低，膜的性能提高。而摻雜GI導(dǎo)致該值明顯增加，膜的性能變差。

3 結(jié)論

制備了聚砜支撐層中分別摻雜有GI、GE和GO的FO膜，研究不同摻雜物對(duì)支撐層和FO膜的結(jié)構(gòu)與性能的影響，得到以下結(jié)論。

（1）與無摻雜的聚砜支撐層相比，因水分子在GE表面滑移速率快，加快了水分子通過膜的整體速率，表現(xiàn)為摻雜了GE的支撐層的水透過常數(shù)增加；摻雜GO可以提高支撐層親水性、孔隙率并優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了水分子與膜間的相互作用，也表現(xiàn)為PWP值顯著提高；而GI摻雜到支撐層中，其孔隙率、親水性均降低且支撐層內(nèi)多為孔徑較小的海綿狀孔，不利于水的通過，其PWP值減小。

（2）與無摻雜的FO膜相比，支撐層中摻雜GE或GO可提高FO膜的性能，而摻雜GI則會(huì)導(dǎo)致膜性能明顯下降。其中，摻雜了GO的FO膜水通量最高，AL-DS模式和AL-FS模式下分別為37.10 L/(m2×h)和25.04L/(m2×h)，但同時(shí)反向鹽通量稍有增加，因此如何降低或消除親水性摻雜物對(duì)活性層的不利影響也是今后需努力的一個(gè)方向。

符號(hào)說明

A——膜的水透過常數(shù)，L/(m2·h·MPa) am——與液體接觸的有效膜面積，m2 B——膜的鹽透過常數(shù)，L/(m2×h) cp，cf——透過液和料液中的NaCl溶液濃度，mol/L ct——t時(shí)刻料液側(cè)的鹽濃度，mol/L D——溶質(zhì)在去離子水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s Js——透過膜的反向鹽通量，g/(m2×h) Jw——透過膜的水通量，L/(m2×h) mwet，mdry——分別為濕膜質(zhì)量和干膜質(zhì)量，g ——施加在膜兩側(cè)的壓力差，MPa R——膜的鹽截留率，% S——FO膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，m ——兩次測(cè)量溢出液質(zhì)量的時(shí)間間隔，h V——流出的液體在Δt時(shí)間內(nèi)累積的體積，L Vt——t時(shí)刻料液側(cè)的體積，L ε——孔隙率，cm3/cm3 Δπ——膜兩側(cè)的滲透壓差，MPa πD,b，πF,m——分別為驅(qū)動(dòng)液主體和料液側(cè)膜表面的滲透壓，MPa πj——濃度為cj的NaCl溶液的滲透壓，MPa ρw，ρm——分別為水和聚合物的密度，g/cm3

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Structure and performance of forward osmosis membranes based on polysulfone substrates incorporated with graphene

HU Nian，ZUO Haoran，F(xiàn)U Jiabei，Lü Hui，TONG Yihao，LIU Huiqing，CAO Guiping

（State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Polysulfone supporting layers incorporated with graphite（GI），graphene（GE），and graphene oxide（GO）were respectively prepared by phase inversion method. Then the polyamide active layers were preparedinterfacial polymerization of-phenylenediamine and trimesoyl chloride on the supporting layers. The morphologies of top surface and cross section of the membranes were characterized by SEM. The porosity，hydrophilicity and performance of FO membranes with different incorporated additives were investigated. The results showed that the structures of the cross section of the supporting layers incorporated with GE or GO were looser，resulting in increased porosity and pure water permeability（PWP）constant. Thus the properties of corresponding FO membranes were improved. However，the incorporating of GI resulted in the prepared membrane with rough surface，dense cross section，lower PWP constant，and worse performance . The FO membrane prepared on the supporting layer incorporated with GO exhibited the best performance. The water flux reached 37.10L/(m2×h) under the AL-DS membrane orientation，increased by 38.7% compared with FO membrane prepared on pure polysulfone substrate.

graphene oxide；incorporation；forward osmosis；membrane；structure；performance

TQ028.8

A

1000–6613（2017）12–4524–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0475

2017-03-22；

2017-06-07。

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（14ZZ062）、國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（20121025104）、華東理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（x17028，x17001）及華東理工大學(xué)大學(xué)生課余研究計(jì)劃（20160421）項(xiàng)目。

胡念（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)檎凉B透。E-mail：hu18702151940@163.com。

曹貴平，教授，研究方向?yàn)榫酆衔?、催化劑和?fù)合材料等。E-mail：gpcao@ecust.edu.cn。