成果简介
氧化石墨烯（GO）膜因水诱导效应（如溶胀）和与基底的界面粘附性差而不稳定，这在很大程度上限制了其分离性能和长期应用（如潜在的GO泄漏风险）。为了解决这个问题，本文，香港理工大学蒋毅/华中科技大学吕以亮等研究人员在《ACS EST Engg》期刊发表名为“Magnetically Ultrastabilized Graphene Oxide-Based Membrane Filter for Point-of-Use Water Treatment”的论文，研究提出一种基于磁性超稳定GO膜过滤器，与化学交联等传统方法不同。用原位形成的Fe 3 O 4纳米颗粒修饰的GO纳米片首先通过真空过滤组装成膜过滤器。随后将过滤器置于由永磁体产生的磁场 (≤0.50 T) 中，并通过嵌入可磁化微粒的定制多孔载体进行调谐。
GO–Fe3O4（GOF）膜过滤器在苛刻的超声波失稳(≥持续时间为20分钟，功率为144 W，频率为45 kHz）和湍流流体动力学条件（例如，至少7天的横流速度为30 cm/s）下保持完好，没有任何劣化渗透或排斥性能。我们的实验和理论研究强调了可磁化载体在实现这种超稳定化方面的不可或缺的作用，这将磁通密度梯度和磁力提高了近 1 个数量级。GOF 膜过滤器不仅具有与商业超滤膜相当的分离性能，而且能够有效灭活水传播病原体（例如，大肠杆菌）。这种将功能性工程纳米材料磁性稳定在基板表面上的简单策略为开发纳米过滤器开辟了新的机会，将泄漏和健康风险降至最低，用于使用点的水净化。
图文导读
图1. (a) 用于磁场中超滤过程的自制过滤器装置示意图（插图显示了过滤装置的照片）。(b) 自制过滤器的零件组装示意图。 (c) 零件和 (d) 自制过滤器装置的组装图。
图2. (a) GO 和 GOF 复合材料的 FTIR 光谱；(b) GO膜和GOF膜过滤器的XRD图谱；(c) GOF 复合材料的 TEM 图像（插图显示从 TEM 图像估计的 Fe 3 O 4纳米颗粒的尺寸分布）；(d) GO 和 GOF 复合材料的拉曼光谱；(e) GOF 复合材料的滞后曲线（插图显示滞后曲线的放大图）；(f) GOF 膜过滤器的照片（插图：GOF 膜过滤器被 NdFeB 环形磁铁吸引）；(g) GOF 膜过滤器的俯视图和 (h) 横截面 SEM 图像（质量负载为 0.22 mg cm –2)（插图：放大的 SEM 图像）；(i) GOF 复合材料的滞后曲线（插图：滞后曲线的放大图）；(j) 可磁化载体的照片（插图显示可磁化载体被 NdFeB 磁体吸引）；(k) 可磁化载体的俯视图和 (l) 横截面 SEM 图像（黄色虚线圆圈标记嵌入载体内的 NdFeB 微粒）。
图3. (a) NMF/(N)S、MF/NS 和 MF/S 系统（两个可磁化支架，四个 NdFeB 环形磁铁）中 GOF 膜过滤器的稳定性比较。(b) 在 NMF/(N)S、MF/NS 和 MF/S 系统（两个可磁化载体，四个 NdFeB 磁体）中超声处理 20 分钟后透水性和 PEG（300 kDa）排斥的变化。J 0和J x代表GOF膜过滤器在超声波处理前后的透水率，而R 0和R x分别指治疗前后的 PEG 排斥率。(c) 可磁化载体的数量（即0、2和4）对MF/S系统中GOF膜过滤器稳定性的影响（功率输入为171 W，四个NdFeB磁体）。(d) NdFeB 磁体数量（即 1、2 和 4）对 MF/S 系统（四个可磁化支撑）中 GOF 膜过滤器稳定性的影响。GOF 膜过滤器的质量负载为 0.22 (b) 或 0.44 mg cm –2 (a, c, d)。另有说明，超声波功率输入为 144 W，频率为 45 kHz；超声时间为 10 分钟。
图4. (a,b) 局部磁通密度分布，(c,d) 磁通密度梯度分布，以及 (e,f) 它们在单个 Fe 周围的乘积分布（在 30 × 30 nm 2的矩形区域内） MF/NS (a,c,e) 和 MF/S (b,d,f) 系统中的3 O 4纳米粒子。在 MF/S 系统和 1.79 × 10 -8 N m -1的计算中，它们在 Fe 3 O 4纳米颗粒周围的产物积分为1.12 × 10 -7 N m -1和MF/NS 系统。
文献：https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00364
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