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GTR-11氣體透過率測試儀助力凝膠化與刮刀流延法制備石墨烯基分離膜研究
閱讀：213 發(fā)布時間：2026-1-26摘要
石墨烯基層壓膜相較于傳統(tǒng)聚合物或陶瓷分離膜展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。目前，已有多種交聯(lián)劑穩(wěn)定的氧化石墨烯膜被報道用于氣體和液體分離，但這些膜的制備方法在工業(yè)應(yīng)用中可擴展性較差。
新加坡南洋理工大學的Euntae Yang等團隊在《Carbon》期刊（IF：10.5）發(fā)表了一篇題為“Scalable fabrication of graphene-based laminate membranes for liquid and gas separations by crosslinking-induced gelation and doctor-blade casting"的研究論文。
該研究通過刮刀流延凝膠狀漿料制備大面積GO基膜的方法，該漿料由稀釋的GO分散液與鈣離子、鐵離子、聚環(huán)氧乙烷或聚乙烯亞胺作為交聯(lián)劑凝膠化得到。研究發(fā)現(xiàn)，所有測試的交聯(lián)劑均適用于稀釋GO分散液的凝膠化，以滿足刮刀流延的需求。此外，與通過真空輔助過濾制備的純GO膜相比，所有交聯(lián)GO膜在超聲處理下均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。在 aqueous納濾測試中，Fe3?交聯(lián)GO膜對不同有機染料實現(xiàn)了幾乎截留；而PEO交聯(lián)GO膜則在二氧化碳和氮氣分離中表現(xiàn)突出，CO?/N?選擇性達到52。
研究材料/儀器/過程
材料
1. GO合成原料：天然石墨片、硫酸、高錳酸鉀、過硫酸鉀、五氧化二磷、發(fā)煙鹽酸、*
2. 交聯(lián)劑：氯化鈣、六水合氯化鐵、支化PEI
3. 支撐膜：聚醚砜平板超濾膜
4. 測試用試劑：亞甲基藍、孟加拉玫瑰紅、羅丹明B、牛血清白蛋白、氦氣、壓縮空氣、CO?/N?混合氣體；
儀器
超聲清洗器、掃描電子顯微鏡-能量色散X射線光譜儀、衰減全反射傅里葉變換紅外光譜儀、拉曼顯微鏡、接觸角測量儀、X射線衍射儀、流變儀、超微量天平、實驗室規(guī)模死端過濾裝置、大面積膜測試池、GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀、氣相色譜-熱導(dǎo)檢測器。
GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀
過程
GO凝膠漿料的制備
1. 采用改良的Hummers法制備石墨/氧化石墨烯漿料，通過離心-傾析循環(huán)洗滌至pH>5；
2. 將GGO漿料在37 kHz超聲下處理30分鐘以剝離納米薄片，得到濃度>5.0 mg/mL的粘性GO產(chǎn)物，再稀釋至1.0-5.0 mg/mL；
3. 取10 mL不同濃度的GO分散液置于錐形管中，加入 aqueous交聯(lián)劑，依據(jù)已有報道確定交聯(lián)劑比例；
4. 混合后用渦旋振蕩器劇烈均質(zhì)化>5分鐘，靜置至少120分鐘后進行倒置測試，1天后用流變儀測量粘度，觀察凝膠化效果。
GO基膜的制備
1. 采用刮刀流延技術(shù)，將交聯(lián)后的GO水凝膠均勻涂覆在PES超濾膜上，刮刀與基底間距設(shè)置為約500 μm；
2. 濕GO涂層在室溫下干燥2天，得到大面積交聯(lián)GO膜；
3. 作為對照，通過真空輔助過濾法制備純GO層壓膜：將200 mL 0.010 mg/mL的GO溶液通過0.2 μm孔徑的PES膜過濾器過濾。
膜的理化表征
1. 采用SEM/EDX觀察膜的表面、截面形貌及原子組成分布；
2. 利用ATR-FTIR和拉曼光譜儀分析膜的化學性質(zhì)；
3. 通過接觸角測量儀測試膜的潤濕性；
4. 借助XRD測定膜的層間距；
5. 采用超聲處理評估膜的穩(wěn)定性：將干燥膜切成1×1 cm2的碎片，浸入去離子水中超聲，觀察膜的完整性。
膜的性能評估
1. 液體分離性能：使用死端過濾裝置，在1 bar壓力下，測定純水滲透率；以10 mg/L的有機染料溶液為進料，測試染料截留率；用250 mg/L BSA溶液連續(xù)過濾210分鐘，評估膜的污染傾向；同時測試大面積Fe3?-GO膜的納濾性能，驗證規(guī)模化可行性；
2. 氣體分離性能：采用GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀，以He為載氣，壓縮空氣或CO?/N?混合氣體為進料氣，在37℃下測定膜的O?、CO?滲透率及O?/N?、CO?/N?選擇性。
結(jié)論
該研究顯示所有測試的交聯(lián)劑（Ca2?、Fe3?、PEO、PEI）均可誘導(dǎo)稀釋GO分散液凝膠化，且凝膠漿料的零切粘度隨GO濃度和交聯(lián)劑濃度增加而升高，PEO-GO因氫鍵作用粘度相對較低；通過刮刀流延法成功制備出大面積、 conformal且均勻的交聯(lián)GO膜，膜厚為0.92-1.42 μm，具有珍珠母狀結(jié)構(gòu)，交聯(lián)劑在膜中均勻分布；在液體分離性能方面，PEI-GO膜表現(xiàn)出較高的純水滲透率（10.0 LMH/bar），F(xiàn)e3?-GO膜的染料截留率較優(yōu)（對多種染料截留率>99%），所有膜對孟加拉玫瑰紅均實現(xiàn)近100%截留，分離機制以尺寸排阻為主，同時存在靜電排斥作用；而在氣體分離性能方面，聚合物交聯(lián)GO膜的CO?滲透率和CO?/N?選擇性優(yōu)于陽離子交聯(lián)GO膜，其中PEO-GO膜的CO?/N?選擇性達到52，展現(xiàn)出良好的CO?分離潛力；該研究中的穩(wěn)定性測試表明，所有交聯(lián)GO膜均可耐受超聲處理，且在水中浸泡2個月后仍保持穩(wěn)定，優(yōu)于純GO膜；刮刀流延法具有工業(yè)可接受性和規(guī)?；瘽摿?，結(jié)合交聯(lián)誘導(dǎo)凝膠化方法，為GO基層壓膜的商業(yè)化提供了可行路徑。