科研人員制備新型石墨烯膜 高效利用鹽湖鹵水資源
發布時間：2023/9/4 11:09:31編輯：Ma Liang
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9月3日從蘭州大學獲悉，該校稀有同位素前沿科學中心陳熙萌、李湛團隊在《納米快報》上發表題為“渦流剪切力場制備具有牛頓環結構的超平氧化石墨烯膜用于離子篩分”的成果。
研究團隊通過研究氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場中的結構組成的動態變化過程，發展出一種超級簡單的渦旋力場拉伸堆積成膜策略，制備出高選擇性、低能耗的超平層間結構的渦旋氧化石墨烯膜，實現了實驗室階段鹽湖中鋰、鉀、鎂等離子的選擇性高效分離。
膜分離是高效無相變、綠色無污染的新型分離技術，但傳統的膜分離技術很難用于鹽湖鹵水中堿土金屬離子的選擇性分離，因此有必要發展一類更為簡單、高效、經濟環保的膜分離技術，促進我國鹽湖鹵水資源高質化利用。
氧化石墨烯膜因其優異的物理和化學特性在分離分析領域具有重要的應用潛力。然而，氧化石墨烯表面存在大量含氧基團，在堆疊成膜的過程中產生大量褶皺。這些褶皺會干擾氧化石墨膜層間狹縫中的離子傳質過程，從而降低其滲透性和選擇性。因此，亟須解決二維膜選擇性和滲透性之間的權衡問題，實現離子的高效快速分離。
研究人員通過簡單的機械攪拌的方式，對氧化石墨烯溶液施加渦流力場，制備出層間結構可調的超平渦旋氧化石墨烯膜，并使用該膜實現了鹽湖鹵水中單價離子與二價鎂離子的高選擇性篩分。
研究發現，氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場中，其邊緣位置受到不同大小和方向剪切力的拉扯，該作用不但消除了石墨烯表面存在的大量褶皺，且促使表面褶皺間脂基的水解，變成羧基和羥基，進而大幅提高石墨烯表面的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在渦旋力場的作用下，形成一種具有彩色牛頓干涉環的超平氧化石墨烯膜。經過大量實驗驗證，機械攪拌轉速增大，渦流剪切力作用增強，增加了含氧基團的數量，同時渦旋氧化石墨烯膜的平整度大幅增加，層間距逐漸減小，層間結構的穩定性顯著提高，水通過超平整層間通道的阻力大幅降低，有效水通量增加約三倍。
在真實鹽湖水的離子分離中，該膜對Li /Mg2 、Na /Mg2 和K /Mg2 表現出優異的堿金屬與堿土金屬離子篩分效果，具有高度的工業應用前景。
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