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阿拉伯新城信息學研究所Noha A. Elessawy、英國利茲大學土木工程學院James Exley等--開發一種高效、低操作壓力的氧化石墨烯聚醚砜納濾膜,用于去除各種水污染物
       傳統的廢水處理技術往往是高資本支出、能源密集型的解決方案,缺乏針對不同污染類別的特異性,不適合大規模部署,特別是工業廢水排放是一個重大環境問題。同時,產生的固體廢物污染,特別是含塑料廢物,是一個持續而嚴重的污染問題。這項工作的重點是“廢物處理廢物”的理念,以及從材料科學和環境管理到可持續水處理的多學科努力,此外還包括使用簡單的合成程序從礦泉水廢棄瓶中生產氧化石墨烯,該程序可以經濟地擴大規模,用作具有成本效益的吸附劑。將制備的氧化石墨烯負載在聚醚砜(PES)膜上,并進行了批量過濾研究,以考察其去除水溶液中的亞甲基藍(MB)染料、硫酸龍膽霉素(GMS)抗生素以及Na2SO4和MgSO4鹽的性能。使用響應面法(RSM)模型對初始污染物濃度、時間和溶液pH等操作參數進行了研究和優化。結果證實了該過濾工藝的顯著效率,對MB、GMS、Na2SO4和MgSO4的最大截除率分別為91%、93%、67%和64%,最大水通量分別為1322、1367、1225和1059 LMH。在GGA/PBE優化水平下,考慮了GO、PES膜和GO/PES膜的密度泛函理論計算。對GO/PES膜進行了吸附退火定位分析,并以MB為吸附物重新計算了吸附退火過程。綜上所述,制備的GO/PES膜的吸附效果是最重要的,其次是Donnan排除效應和位阻效應。因此,有望建立新的生態友好的納濾膜,價格合理,穩定,并且能有效地從水系統中去除各種污染物。

 
圖1. 真空沉積法制備氧化石墨烯/聚醚砜膜的步驟示意圖。
 

圖2. (a)GO納米片的拉曼光譜,(b) TEM圖像,(c) XPS測量光譜,(d) C1s高分辨率XPS光譜。
 

 
圖3. PES, GO/ PES膜的(a) FTIR光譜,(b) N2吸附-脫附等溫線,(c)平均直徑分布,(d) SEM圖像和(e) PES、(f) GO/ PES膜的接觸角。
 


圖4. 使用DFT/GGA/PBE水平對(a)GO納米顆粒、(b)PES膜和(c)GO/ PES相互作用結構進行計算優化。

 

圖5. (a)基于DFT/GGA/PBE水平的MB分子計算優化;(b)基于氫鍵距離GO/PES/MB體系模擬退火計算的分子吸附模塊。
 


圖6. 不同GO負載下GO/PES膜的(a)通量-壓力響應性和(b)滲透性。
 


圖7. (a)截留率%和滲透通量,(b)在25℃和pH 7下,GO負載60mg.m-2時GO/PES膜的滲透率。(c) GO/PES膜NF的所有相互作用機制示意圖。
 


圖8. 通過GO/PES膜的GMS和MB截留率隨過濾過程變化的3D圖。

 

圖9. 通過GO/PES膜的Na2SO4和MgSO4截留率與過濾工藝變量的3D圖。
 

圖10. 在5天內,氧化石墨烯納米片浸出的重量百分比。

      相關研究成果由阿拉伯新城信息學研究所計算機工程應用系Noha A. Elessawy、英國利茲大學土木工程學院James Exley等人于2024年發表在Journal of Environmental Chemical Engineering (https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.112489 )上。原文:Development of an efficient, low-operating-pressure graphene oxide/ polyethersulfone nanofiltration membrane for removing various water contaminants

轉自《石墨烯研究》公眾號
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