阿拉伯新城信息学研究所、英国利兹大学–开发一种高效、低操作压力的氧化石墨烯/聚醚砜纳滤膜，用于去除各种水污染物

传统的废水处理技术往往是高资本支出、能源密集型的解决方案，缺乏针对不同污染类别的特异性，不适合大规模部署，特别是工业废水排放是一个重大环境问题。同时，产生的固体废物污染，特别是含塑料废物，是一个持续而严重的污染问题。这项工作的重点是“废物处理废物”的理念，以及从材料科学和环境管理到可持续水处理的多学科努力，此外还包括使用简单的合成程序从矿泉水废弃瓶中生产氧化石墨烯，该程序可以经济地扩大规模，用作具有成本效益的吸附剂。将制备的氧化石墨烯负载在聚醚砜(PES)膜上，并进行了批量过滤研究，以考察其去除水溶液中的亚甲基蓝(MB)染料、硫酸龙胆霉素(GMS)抗生素以及Na₂SO₄和MgSO₄盐的性能。使用响应面法(RSM)模型对初始污染物浓度、时间和溶液pH等操作参数进行了研究和优化。结果证实了该过滤工艺的显著效率，对MB、GMS、Na₂SO₄和MgSO₄的最大截除率分别为91%、93%、67%和64%，最大水通量分别为1322、1367、1225和1059 LMH。在GGA/PBE优化水平下，考虑了GO、PES膜和GO/PES膜的密度泛函理论计算。对GO/PES膜进行了吸附退火定位分析，并以MB为吸附物重新计算了吸附退火过程。综上所述，制备的GO/PES膜的吸附效果是最重要的，其次是Donnan排除效应和位阻效应。因此，有望建立新的生态友好的纳滤膜，价格合理，稳定，并且能有效地从水系统中去除各种污染物。

图1. 真空沉积法制备氧化石墨烯/聚醚砜膜的步骤示意图。

图2. (a)GO纳米片的拉曼光谱，(b) TEM图像，(c) XPS测量光谱，(d) C1s高分辨率XPS光谱。

图3. PES， GO/ PES膜的(a) FTIR光谱，(b) N₂吸附-脱附等温线，(c)平均直径分布，(d) SEM图像和(e) PES、(f) GO/ PES膜的接触角。

图4. 使用DFT/GGA/PBE水平对(a)GO纳米颗粒、(b)PES膜和(c)GO/ PES相互作用结构进行计算优化。

图5. (a)基于DFT/GGA/PBE水平的MB分子计算优化;(b)基于氢键距离GO/PES/MB体系模拟退火计算的分子吸附模块。

图6. 不同GO负载下GO/PES膜的(a)通量-压力响应性和(b)渗透性。

图7. (a)截留率%和渗透通量，(b)在25℃和pH 7下，GO负载60mg.m^–2时GO/PES膜的渗透率。(c) GO/PES膜NF的所有相互作用机制示意图。

图8. 通过GO/PES膜的GMS和MB截留率随过滤过程变化的3D图。

图9. 通过GO/PES膜的Na₂SO₄和MgSO₄截留率与过滤工艺变量的3D图。

图10. 在5天内，氧化石墨烯纳米片浸出的重量百分比。

相关研究成果由阿拉伯新城信息学研究所计算机工程应用系Noha A. Elessawy、英国利兹大学土木工程学院James Exley等人于2024年发表在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