異質(zhì)結(jié)構(gòu)g-C3N4@AM層狀膜構(gòu)筑及納濾性能研究

周國(guó)莉，韓項(xiàng)珂，武文佳，王景濤，張毛娃，李鳳麗

（鄭州大學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001）

引 言

目前，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有機(jī)溶劑的使用種類已經(jīng)超過(guò)了3萬(wàn)種[1]。隨著化工行業(yè)的迅速發(fā)展，有機(jī)溶劑的使用量日益增大。對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行濃縮、純化及再生是實(shí)現(xiàn)其高效化與節(jié)能利用的關(guān)鍵[2]。相比傳統(tǒng)的分離技術(shù)，納濾技術(shù)具有能耗小、設(shè)備簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[3-8]。但與其他膜工藝相似，納濾膜的通量和選擇性之間普遍存在trade-off效應(yīng)的限制[9-14]。理想情況下，納濾膜應(yīng)具有薄且良好的納米孔道，以增強(qiáng)其滲透性和選擇性，并在苛刻的溶劑中具有高的穩(wěn)定性。因此，開(kāi)發(fā)新興膜材料和薄膜制備方法，構(gòu)筑具有快速和選擇性的傳遞通道是實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶劑納濾膜實(shí)際應(yīng)用的有效途徑之一。

二維片層材料因具有高比表面積、高長(zhǎng)寬比及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被認(rèn)為是一種理想的薄膜構(gòu)筑材料[15-19]。其中，二維石墨氮化碳（g-C3N4）由于其原子級(jí)厚度和易于功能化等優(yōu)點(diǎn)受到了普遍關(guān)注。理論模擬顯示，水通過(guò)g-C3N4納米片的傳輸具有超低摩擦力，但g-C3N4層狀膜僅顯示出29 L·m-2·h-1·bar-1的水通量（1 bar=105Pa），歸因于g-C3N4層狀膜的層間距不利于溶劑的快速滲透[20]。目前主要通過(guò)填充層間填料的策略來(lái)調(diào)控層狀膜的層間距，以減小傳輸阻力和增加滲透通量。但層間距的擴(kuò)大會(huì)影響層狀膜的選擇性，特別是針對(duì)小分子的精確篩分[21]。此外，調(diào)控層狀膜的化學(xué)親和力也能夠有效提升層狀膜的滲透性能。例如，Wang 等[22]利用球磨接枝將親水性(—OH)或疏水性(—OOCCH3)基團(tuán)選擇性地接枝在g-C3N4納米片上，實(shí)現(xiàn)了極性溶劑和非極性溶劑的選擇性分離。親水性膜對(duì)極性分子較強(qiáng)的相互作用力有利于極性分子的溶解；相對(duì)疏水的膜對(duì)極性分子較弱的相互作用則能夠降低分子擴(kuò)散摩擦力[23-26]。利用親水性或疏水性材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)溶解和擴(kuò)散的協(xié)同，從而制備出具有高滲透通量的納濾膜。例如，Wang 等[27]利用靜電霧化技術(shù)將疏水性的功能聚合物簇噴涂在親水性的GO 層狀膜上，制備出親疏異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層狀膜，滲透性能顯著提高（非極性溶劑的提升超過(guò)7 倍）。特別是雙針頭靜電霧化方法能夠使兩個(gè)不相容或相互作用強(qiáng)的材料結(jié)合。因此，可以利用雙針頭靜電霧化技術(shù)，結(jié)合不同性質(zhì)的材料構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層狀膜以構(gòu)建高性能的納濾膜。

本文利用雙針頭靜電霧化技術(shù)將親水的直鏈淀粉(amylose,AM)鋪展在疏水的g-C3N4層狀膜表面及層間，制備了一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4@AM 層狀膜，并探討其納濾性能，以期對(duì)高性能納濾膜的構(gòu)建提供一定的理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

三聚氰胺（C3H6N6，純度≥99%）和直鏈淀粉（分子量16000）購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司；尼龍微孔濾膜（nylon，孔徑0.2 μm，直徑47 mm）購(gòu)自天津津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；鹽酸多巴胺（dopamine hydrochloride，純度≥98%）和三羥甲基氨基甲烷（tris，純度≥99%）購(gòu)自北京華潤(rùn)化學(xué)有限公司；氫氧化鈉（NaOH，純度≥98%）購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；正己烷（n-hexane）、丙酮（acetone）、乙腈（acetonitrile）、甲苯（toluene）、甲醇（methanol）和異丙醇（isopropanol）購(gòu)自天津市科密歐化學(xué)試劑科技有限公司；酸性黃14 (AY14)、亮藍(lán)(BB)、活性紅(RR)、結(jié)晶紫(CV)、亞甲基藍(lán)(MB)和甲基橙(MO)染料購(gòu)自上海阿拉丁生物科技有限公司。所有化學(xué)藥品均未進(jìn)一步處理且全程使用去離子水。

1.2 g-C3N4 納米片的制備

采用熱聚合的方法制備g-C3N4粉末：5 g 三聚氰胺粉末置于磁舟，在管式爐中從室溫加熱至500℃并維持2 h，加熱速率為2℃·min-1。之后加熱升溫至520℃并維持2 h。待溫度降至室溫，取出塊狀的g-C3N4顆粒使用瑪瑙研缽研磨得到g-C3N4粉末。

采用超聲輔助剝離法制備少層g-C3N4納米片：將100 mg 的g-C3N4粉末分散到200 ml 異丙醇中，置于500 ml 的錐形瓶中。在100 W 功率下超聲10 h，在3000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min，收集上清液，即g-C3N4納米片分散液。

1.3 g-C3N4@AM異質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀膜的制備

利用雙針頭靜電霧化技術(shù)制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層狀膜（圖1），將多巴胺處理過(guò)的尼龍基膜平鋪在滾筒表面；將g-C3N4納米片分散液加水稀釋得到g-C3N4納米片前體液，直鏈淀粉溶解在0.1 mol·L-1NaOH 溶液中得到0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的前體液；將上述兩種前體液（160 ml）分多次裝入兩個(gè)注射器，在注射器針頭處加25 kV 的高壓，高壓靜電可以將噴出的液滴分散成亞納米尺度的霧滴，使兩種材料結(jié)合形成光滑無(wú)缺陷的異質(zhì)復(fù)合層；針頭與滾筒接收器的垂直距離為15 cm，兩個(gè)注射器針頭固定在5 cm，以保證兩種前體液充分結(jié)合；蠕動(dòng)泵以0.005 mm·min-1的速度推進(jìn)以保證噴出的霧滴均勻沉積在固定有微孔濾膜的旋轉(zhuǎn)接收器上，得到異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層狀膜（g-C3N4@AM）。以相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用單針頭靜電噴霧技術(shù)制備純g-C3N4層狀膜作為對(duì)比。

圖1 g-C3N4@AM層狀膜制備示意圖Fig.1 Schematic illustration of the fabrication of g-C3N4@AM membrane

1.4 測(cè)試儀器及方法

利用透射電子顯微鏡（TEM，Tecnai G220 STWIN 型，美國(guó)）、掃描電子顯微鏡（SEM，Nanosem 430 型，德國(guó)）和原子力顯微鏡（AFM，Bruker Dimension FastScan 型，美國(guó)）對(duì)樣品的形貌進(jìn)行表征；通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FTIR，Nicolet MAGNA-IR560 型）、X 射線衍射（XRD，Bruker D8 Advance ECO 型）、X 射線光電子能譜（XPS，Escalab 250Xi, Thermo Fisher Scientific 型）和能譜分析（EDS）對(duì)納米片和膜的元素和基團(tuán)進(jìn)行表征；由全自動(dòng)比表面與孔徑分析儀（BET，ASAP2460型）分析樣品的比表面積；由紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV-vis，UV-2550 型）確定溶劑中染料的濃度；利用靜態(tài)接觸角測(cè)定儀（CA，model OCA 25 型）測(cè)試樣品的水接觸角。

1.5 納濾性能測(cè)試

所制備的膜的滲透性、截留性和穩(wěn)定性通過(guò)自行搭建的死端過(guò)濾裝置進(jìn)行測(cè)試。不同大小的染料分子溶解在甲醇(10 mg·L-1)中，作為進(jìn)料溶液。

（1）溶劑通量測(cè)試 溶劑通量是指在單位面積、單位時(shí)間以及單位壓力下溶劑的有效滲透體積，其計(jì)算公式如下：

式中，P為溶劑通量，L·m-2·h-1·bar-1；V為溶劑透過(guò)膜的體積，L；A為膜的有效面積，m2；t為測(cè)試時(shí)間，h；p為測(cè)試壓差，bar。

（2）染料截留率測(cè)試 染料截留率是指膜對(duì)染料分子的有效截留百分比，通過(guò)紫外分光光度計(jì)獲得透過(guò)液和進(jìn)料液的染料濃度，截留率的計(jì)算公式如下：

式中，R為截留率，%；Cp為透過(guò)液染料濃度，mg·L-1；Cf為進(jìn)料液染料濃度，mg·L-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 g-C3N4 納米片的表征

如圖2(a)所示，AFM 圖像表明g-C3N4納米片具有典型的二維結(jié)構(gòu),厚度約為0.91 nm，橫向尺寸為1～2 μm。而g-C3N4納米片單層的理論厚度約為0.3 nm[20]，因此所獲得的g-C3N4納米片包含1～3 個(gè)單層。SEM 圖像顯示，經(jīng)過(guò)超聲輔助剝離法處理后，g-C3N4納米片保持理想的片層結(jié)構(gòu)以及不規(guī)則的形狀[圖2(b)]。TEM 圖顯示g-C3N4納米片具有典型的柔性結(jié)構(gòu)特征和不規(guī)則的褶皺[圖2(c)]。且在紅外數(shù)據(jù)中838 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)，是g-C3N4材料的特征吸收峰[圖3(a)][24]。此外，3100 cm-1附近的峰對(duì)應(yīng)于—NH或—NH2基團(tuán)，說(shuō)明制備的g-C3N4納米片表面存在氨基。直鏈淀粉在3200～3600 cm-1附近寬的吸收峰為羥基的伸縮振動(dòng)峰，證明直鏈淀粉具有很強(qiáng)的親水能力。同時(shí)，g-C3N4納米片上的氨基和直鏈淀粉上的羥基能夠形成氫鍵以增強(qiáng)復(fù)合層狀膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對(duì)g-C3N4納米片和直鏈淀粉的粉末壓片進(jìn)行接觸角測(cè)試[圖3(b)]，直鏈淀粉的水接觸角為17.6°，表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水特性；g-C3N4納米片水接觸角為73.3°，相對(duì)疏水的g-C3N4納米片以及親水的直鏈淀粉是構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀膜的基礎(chǔ)。

圖2 g-C3N4納米片的AFM 圖、SEM 圖和TEM 圖Fig.2 AFM，SEM and TEM images of g-C3N4 nanosheet

圖3 g-C3N4 納米片以及直鏈淀粉的紅外光譜和水接觸角Fig.3 FTIR curves and contact angles of g-C3N4 nanosheet and amylose

2.2 g-C3N4@AM 復(fù)合層狀膜的表征

采用雙針頭靜電霧化法制備g-C3N4@AM 復(fù)合層狀膜，雙針頭可以使疏水的g-C3N4納米片和親水的直鏈淀粉更加舒展地平鋪在基膜表面，從而形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的層狀膜結(jié)構(gòu)。SEM 圖像[圖4(a)、(b)]表明純g-C3N4層狀膜和g-C3N4@AM 層狀膜表面光滑、無(wú)缺陷，且EDS 圖譜清晰地顯示出兩種膜表面的氧元素含量變化情況。相較于純g-C3N4層狀膜，g-C3N4@AM 層狀膜的氧含量更高，主要是因?yàn)殇佌沟闹辨湹矸凵嫌休^多的含氧官能團(tuán)（羥基和環(huán)氧基），使得g-C3N4@AM 層狀膜中的氧元素含量急劇上升。同時(shí)，純g-C3N4納米片不含氧元素，所以氧含量的變化證明直鏈淀粉成功鋪展。此外，對(duì)g-C3N4@AM 層狀膜與純g-C3N4層狀膜的斷面圖進(jìn)行對(duì)比，如圖4(c)、(d)所示，制備的兩種層狀膜具有相近的膜厚度（約1μm）且層狀結(jié)構(gòu)規(guī)整，表明直鏈淀粉的引入對(duì)膜的層狀結(jié)構(gòu)影響較小。AFM 圖像顯示出光滑平整的膜表面，其中g(shù)-C3N4層狀膜的粗糙度為120 nm，g-C3N4@AM 層狀膜的粗糙度為136 nm，表明直鏈淀粉的引入對(duì)膜表面的形貌結(jié)構(gòu)影響較小[圖4(e)、(f)]。在靜電噴霧過(guò)程中，靜電排斥作用使霧滴內(nèi)的g-C3N4納米片和直鏈淀粉更加舒展，同時(shí)旋轉(zhuǎn)滾筒接收器產(chǎn)生的剪切力使舒展的納米材料在沉積時(shí)以平鋪的形態(tài)堆疊在接收器表面[22]；同時(shí)，選擇NaOH 作為直鏈淀粉的溶劑，使直鏈淀粉進(jìn)一步舒展[28]；此外，較低濃度的分散液也有利于直鏈淀粉的舒展。因此，雙針頭靜電霧化法能夠制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4@AM 層狀膜，并且直鏈淀粉的引入可以維持g-C3N4層狀膜固有的結(jié)構(gòu)。

圖4 純g-C3N4 膜和g-C3N4@AM 膜的SEM、斷面以及AFM圖像Fig.4 Surface,cross-section SEM images,AFM images of g-C3N4 membrane and g-C3N4@AM membrane

2.3 g-C3N4@AM 復(fù)合層狀膜的微結(jié)構(gòu)表征

為進(jìn)一步驗(yàn)證兩種層狀膜的成功制備，利用XRD、N2吸附等溫線、FTIR 和XPS 總譜來(lái)分析兩種膜的微結(jié)構(gòu)。如圖5(a)所示，XRD 顯示純g-C3N4層狀膜在2θ=7.8°位置處出現(xiàn)了尖銳的(002)峰，其對(duì)應(yīng)的層間距為1.13 nm。而g-C3N4@AM 層狀膜呈現(xiàn)出相近的層間距(1.15 nm)。這直接證明直鏈淀粉的引入幾乎不改變膜的層間距。同時(shí)，N2吸附等溫線分析顯示純g-C3N4層狀膜與g-C3N4@AM 層狀膜具有相似的孔體積，這也表明直鏈淀粉的引入對(duì)膜表面的微結(jié)構(gòu)影響較小[圖5(b)]。另外，通過(guò)膜的孔徑分布可知，g-C3N4@AM 層狀膜含有窄的孔徑分布(集中在1.10 nm),與XRD的測(cè)試結(jié)果匹配較好，窄的孔徑分布表明層狀膜中層間通道間距尺寸分布較窄，通道規(guī)則。利用XPS 和FTIR 來(lái)分析兩種膜的元素含量和官能團(tuán)的變化。FTIR 譜圖顯示，相較于純g-C3N4層狀膜，g-C3N4@AM 層狀膜在1252.9 和3398.6 cm-1處的C—O—C 和C—OH 等官能團(tuán)的峰強(qiáng)度都有明顯增強(qiáng)[圖5(c)]。這一結(jié)果也被XPS 譜圖證實(shí)，相較于純g-C3N4層狀膜，g-C3N4@AM 層狀膜的O/C 明顯增強(qiáng)[圖5(d)]，氧元素的增加意味著直鏈淀粉成功引入g-C3N4@AM 層狀膜。

圖5 純g-C3N4膜(A)和g-C3N4@AM膜(B)的XRD、N2 吸附等溫線、FTIR和XPS譜圖Fig.5 XRD,N2 sorption isotherms,FTIR and XPS spectrum of g-C3N4 membrane(A)and g-C3N4@AM membrane(B)

2.4 g-C3N4@AM 復(fù)合層狀膜的有機(jī)溶劑納濾性能

為了探究異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)納濾性能的影響，對(duì)純g-C3N4膜和g-C3N4@AM 層狀膜進(jìn)行溶劑滲透通量和染料截留測(cè)試。兩種層狀膜均采用孔徑200 nm 左右的尼龍微孔濾膜為支撐層，這種基膜具有極高的滲透能力（水的滲透通量大于2000 L·m-2·h-1·bar-1）且?guī)缀鯖](méi)有截留能力，可以最大限度地減少基膜對(duì)納濾性能的影響[9]。分別選取極性（丙酮、乙腈、甲醇和水）以及非極性（甲苯、正己烷）的溶劑進(jìn)行滲透通量測(cè)試，結(jié)果如圖6(a)所示。純g-C3N4膜對(duì)乙腈和丙酮的滲透通量分別為774和719.7 L·m-2·h-1·bar-1，這歸因于規(guī)則有序的層間通道允許分子不間斷和穩(wěn)定流動(dòng)。特別是相對(duì)疏水的g-C3N4納米片為極性溶劑分子提供了超低摩擦阻力的傳輸通道。與純g-C3N4膜相比，g-C3N4@AM 膜對(duì)極性溶劑的滲透率明顯增加：乙腈和丙酮的滲透通量分別為1656.36 和611.62 L·m-2·h-1·bar-1，分別提高了114%和106%。相比之下，非極性溶劑的滲透率明顯下降。例如，甲苯和正己烷的滲透通量分別減小了29%和26%。此外，對(duì)溶劑分子跨膜阻力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示，對(duì)于極性溶劑，g-C3N4@AM 復(fù)合層狀膜的跨膜阻力相較于g-C3N4層狀膜有所降低；對(duì)于非極性溶劑則有所上升[圖6(b)]?？紤]到兩種膜相似的層間通道，通量的差異主要源于親水直鏈淀粉增大了非極性溶劑的傳輸阻力[26]?？梢?jiàn)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4@AM 層狀膜具有分子分離的潛力。

圖6 純g-C3N4 膜和g-C3N4@AM 膜的溶劑滲透通量和跨膜阻力Fig.6 Solvent permeance and solvent resistance comparison for g-C3N4 membrane and g-C3N4@AM membrane

選擇了六種不同尺寸的染料分子進(jìn)行截留測(cè)試，其結(jié)果如圖7 所示。 純g-C3N4膜和g-C3N4@AM 層狀膜具有相似的截留性能，是因?yàn)閮煞N膜具有相似的層間通道。通過(guò)對(duì)比染料分子尺寸和兩種膜的截留性能發(fā)現(xiàn)，對(duì)于甲基橙（MO, 1.0 nm），純g-C3N4層狀膜和g-C3N4@AM 層狀膜的截留率分別為56.3% 和53.8%。而對(duì)于亞甲基藍(lán)（MB,1.2 nm），純g-C3N4層狀膜和g-C3N4@AM 層狀膜的截留率分別增加到了88.7%和84.7%。當(dāng)染料分子的尺寸超過(guò)1.5 nm 時(shí)，兩種層狀膜可以截留大部分的染料分子，截留率超過(guò)了90%，甚至達(dá)到了99%。由此可知，利用雙針頭靜電霧化技術(shù)制備的g-C3N4@AM 層狀膜能夠維持層狀膜的固有結(jié)構(gòu)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了對(duì)極性溶劑滲透能力，同時(shí)保持了較高的截留性能。

圖7 純g-C3N4 膜和g-C3N4@AM 膜對(duì)染料的截留率Fig.7 Dye rejection of g-C3N4 membrane and g-C3N4@AM membrane

為了探究g-C3N4@AM 層狀膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)膜的操作穩(wěn)定性、耐壓力穩(wěn)定性以及膜的耐酸堿性能進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖8 所示。膜的操作穩(wěn)定性結(jié)果表明，在初始200 min 內(nèi)，由于壓實(shí)作用，g-C3N4@AM 層狀膜的滲透通量發(fā)生了輕微的下降(約6%)，而其對(duì)染料分子的截留率有較輕微的上升（約2%）[圖8(a)]。隨后，對(duì)g-C3N4@AM 層狀膜進(jìn)行了壓力循環(huán)實(shí)驗(yàn)[圖8(b)]，在4 bar 內(nèi)，膜的滲透和截留性能幾乎恒定。當(dāng)壓力逐漸增大至5 bar 時(shí)，由于g-C3N4納米片的壓實(shí)，溶劑透過(guò)率略有下降（約3%），而對(duì)染料分子的截留率略有上升（約1%）。最后對(duì)g-C3N4@AM 層狀膜進(jìn)行耐酸堿性能測(cè)試[圖8(c)、(d)]，結(jié)果顯示，g-C3N4@AM 層狀膜經(jīng)過(guò)強(qiáng)酸強(qiáng)堿處理后，膜的滲透系數(shù)基本不變或略有增強(qiáng)。穩(wěn)定性的提升得益于g-C3N4納米片的高度有序堆疊以及g-C3N4納米片于直鏈淀粉之間形成的氫鍵作用。

圖8 g-C3N4@AM 膜的操作穩(wěn)定性、滲透與截留的壓力循環(huán)以及酸堿穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)Fig.8 Long-term operation performances,pressure cycle and acid-base stability of g-C3N4@AM membrane

同時(shí)，測(cè)試了含染料分子廢水的納濾性能。結(jié)晶紫作為一類典型的難以降解且對(duì)生物具有致癌、致畸性的三苯甲烷類染料，被廣泛應(yīng)用于印染工業(yè)，因此選取含結(jié)晶紫的印染廢水為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。所測(cè)試的印染廢水主要含有活性染料結(jié)晶紫及微量的表面活性劑、鹽離子等污染物。通過(guò)穩(wěn)定后選取不同時(shí)間的滲透液進(jìn)行分析可知，所制備的g-C3N4@AM 膜對(duì)結(jié)晶紫的截留率高達(dá)91.2%（圖9），具有一定的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用前景。

圖9 g-C3N4@AM 膜對(duì)印染廢水的截留率Fig.9 Dye rejection of g-C3N4@AM membrane

通過(guò)比較本文中制備的g-C3N4@AM 層狀膜和之前報(bào)道的二維層狀膜和聚合物膜的有機(jī)溶劑納濾膜性能（圖10），可以看出實(shí)驗(yàn)所制備的g-C3N4@AM 層狀膜具有優(yōu)異的有機(jī)溶劑納濾性能，遠(yuǎn)優(yōu)于大多數(shù)其他的層狀膜（表1），包括GO、MXene和MoS2等，證明了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4@AM 層狀膜用于有機(jī)溶劑納濾的優(yōu)越性。

表1 所制備膜與文獻(xiàn)報(bào)道膜有機(jī)溶劑納濾性能比較Table 1 The comparison of performance of organic solvent nanofiltration membranes

圖10 g-C3N4@AM 膜的長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性、滲透與截留的壓力循環(huán)以及酸堿穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)Fig.10 Long-term operation performances,pressure cycle and acid-base stability of g-C3N4@AM membrane

3 結(jié) 論

本文提出了用雙針頭靜電霧化技術(shù)制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的g-C3N4@AM 層狀膜的策略。相較于純g-C3N4層狀膜，g-C3N4@AM 層狀膜對(duì)極性溶劑滲透通量提升了1～2 倍，同時(shí)對(duì)染料分子的篩分能力并沒(méi)有降低。其中，g-C3N4@AM 層狀膜的乙腈滲透通量高達(dá)1656.4 L·m-2·h-1·bar-1，并且對(duì)于尺寸大于1.5 nm 的染料分子可以實(shí)現(xiàn)99%以上的截留率。在長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試中，g-C3N4@AM 層狀膜在連續(xù)900 min 的操作過(guò)程中表現(xiàn)出穩(wěn)定的滲透和截留性能，并且在壓力循環(huán)和耐酸堿測(cè)試中也表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。這種策略依托靜電霧化技術(shù)，以疏水的g-C3N4和親水的直鏈淀粉為構(gòu)筑單元，在維持層狀膜固有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)極大地提升了層狀膜的有機(jī)溶劑納濾性能，為高性能有機(jī)溶劑納濾膜的制備提供了新的研究思路。