水质污染问题是人类社会发展面临的严峻挑战。膜分离是水处理领域最具经济且高效的处理技术，但膜的渗透性和选择性之间的权衡效应是影响水处理膜性能的主要问题。为了维持在高水通量的同时仍具有较高的截留率，即高的膜处理效率，理想的膜材料应该具有尽可能薄的膜层厚度。氧化石墨烯（GO）作为一种新兴的二维层状材料，具有单原子层的厚度，优异的机械与热稳定性，化学稳定性。GO膜层内具有快速的水输送通道，被认为是制造下一代先进纳滤膜最有潜力的材料之一。但纯层状堆叠氧化石墨烯膜的通量通常较小，如何在不牺牲截留率的前提下提高氧化石墨烯基膜的水通量是设计纳滤膜器件的关键所在。
近日，厦门大学蓝伟光教授课题组在《ACS Applied Nano Materials》上面发表了题为“Graphene Oxide Composite Membranes for Water Purification”的论文。本论文将多功能的植酸（PhA）分子同时作为插层剂和表面改性剂来修饰GO层状结构，通过真空抽滤法构建了高性能的层状堆叠氧化石墨烯/植酸（GP）复合纳滤膜。研究结果表明，引入PhA修饰剂增强了GO膜的亲水性，扩大了膜层间距。在超低压纳滤条件下，最优的GP-10复合膜的纯水通量达到6.31 L m-2 h-1 bar-1，是纯GO膜0.34 L m-2 h-1 bar-1的18.6倍；与此同时，GP-10复合膜对亚甲基蓝（MB）、罗丹明B（RhB）、刚果红（CR）、直接红80（DR80）等四种不同的带电染料分子均具有高达99.88%以上的截留率。此外，通过热处理，GO与PhA分子间形成了强化学C-P键，提高了复合膜的结构稳定性；这使得复合膜可以在宽范围的pH值内正常运作，而且经过5次纳滤循环后，仍能保持良好的截留稳定性。
图1. 氧化石墨烯/植酸（GP）复合膜的制备工艺。
图2. (a) GO和 (b) GP-10膜的SEM表面图像；(c) GO和 (d) GP-10膜的SEM截面图像；c和d中的插图是GO和GP-10膜的数码照片；(e) GO和GP膜的厚度；(f) GP-10膜的TEM图像和元素扫描图像；(g) GO和GP膜的XRD谱图；(h) GO和GP膜的层间距；(i) GO和GP膜的FT-IR光谱。
图3. (a) GO和GP膜的XPS全谱；GO膜的(b) C 1s和 (c) O 1s 精细能谱图；GP-10膜(d) P 2p、(e) C 1s和 (f) O 1s 精细能谱图。
图4. (a) GO、(b) GP-1、(c) GP-5、(d) GP-10、(e) GP-15、(f) GP-20膜的AFM表面图像及相应的三维表面形貌图像。
图5. (a) GO和GP膜的水接触角；(b) GO和GP膜的纯水通量和MB截留率；(c) GP-10对MB、RhB、DR80和CR溶液的染料截留率；(d) GP-10膜对2000ppm盐溶液的脱盐效果；(e) 在pH为2、7、12时，GP-10对MB和DR80的染料截留率；(f) GP-10在pH=2和pH=12的环境中的水接触角；(g) GP-10膜的耐用性测试；(h) GP-10膜与最近报道的GO基膜和商业化聚合物膜的性能对比。
图6. GP 复合纳滤膜的分离机理。
厦门大学材料学院在读硕士生朱林生为该论文的第一作者，厦门大学材料学院蓝伟光教授、陈洲助理教授和三达膜科技（厦门）有限公司洪昱斌总工程师为本论文的通讯作者 。
蓝伟光是厦门大学材料学院教授，新加坡国立大学教授，厦门大学水科技与政策研究中心首席科学家，厦门大学膜技术应用与推广中心暨中国科创板首家膜科技上市公司（简称：三达膜；代码：688101）创始人，他率领团队开发了500多项先进的膜分离工艺，获颁100多项专利发明，掌握了先进膜材料开发与应用的核心技术，创造了良好的经济与社会效益。
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.1c04322
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