中国学者静电纺出单层石墨烯膜用于纳滤，解决能耗问题并获超高乙醇渗透率

颗粒在线讯：有机溶剂是能溶解一些不溶于水的（如油脂、蜡、树脂、橡胶、染料等）的有机化合物。在制药领域，有机溶剂的使用量能占到 80% ~ 90%。溶解后需要蒸馏程序将溶剂与液体分离，这一工序则需要消耗大量能量。采用溶剂纳滤技术（OSN），则可以帮助药厂节省高达 90% 的能量消耗。

与药厂合作以及与工业从业者交流的经历，让新加坡国立大学的张岁发现了制药行业低耗能纳滤技术的缺口。结合过去石墨烯的研究，她想到，如果能将现有材料中最薄的单层石墨烯应用于溶剂纳滤技术中，或可提高纳滤膜的渗透性和选择性。此外，二维材料与高分子材料相比的一大优势便是耐溶剂性较好。在与工业界合作期间，张岁发现，药厂对高分子膜应用于有机溶剂的分离过程中的长期稳定性持有较多怀疑。这激发起张岁探索石墨烯-无机材料在纳滤领域的可能。

近期，新加坡国立大学张岁团队以铜箔上生长的单层石墨烯为接收器，通过简便的 PAN 和 PVDF 静电纺丝技术，将单层石墨烯与纳米纤维薄膜牢固结合在一起，制备出了单层石墨烯溶剂纳滤膜。该薄膜具有优异的有机溶剂纳滤性能，乙醇渗透率达到了创纪录的156.8 L·m-2·hour-1·bar-1，对玫瑰红染料的截留率超过 94.5 %，表现出了更优的渗透率和选择性。

创纪录的乙醇渗透率

目前，制药行业的溶剂纳滤技术多采用聚合物薄膜，其耐溶剂性有限。且目前行业对于高分子材料的稳定性仍持有怀疑。单层石墨烯作为目前最薄的材料，具有极高的稳定性，并且渗透性和选择性良好。但是大规模制造石墨烯纳滤膜对于现有工艺水平来说仍是一大挑战，因为将化学气相沉积（CVD）在铜上的单层石墨烯完好无损地转移到多孔载体上是非常困难的。

此次，张岁团队运用静电纺丝技术制备出了石墨烯纳米纤维薄膜。他们以铜箔/单层石墨烯为接收器，并选择了最常用的 PAN 和 PVDF 溶液进行静电纺丝，在对纺丝得到的薄膜进行热压处理后，用 10 wt% 过硫酸铵（APS）溶液蚀刻掉铜箔；再以间苯二胺和均苯三甲酰氯为原料，通过界面聚合将石墨烯缺陷密封；最后，他们利用氧等离子体制备出纳米孔，最终得到了单层石墨烯纳米纤维薄膜。

团队研究了该款薄膜对 KCl、l-色氨酸（LT）、Allura Red AC（AR）、维生素B12（VB）和溶菌酶（LYS）的选择和渗透性。他们发现在等离子体处理 100 秒后，各种溶质的渗透性和选择性都很高：KCl 渗透率达到 6.59×10 -6 m·s -1，而 KCl/LYS 的选择性和归一化选择性分别为 93.06 和 9.54。石墨烯纳米纤维膜的高孔隙率和低缺陷的特点，使他们的薄膜均远高于当前研究文献和商业薄膜的水平。

张岁团队还以乙醇为溶剂，研究了石墨烯纳米纤维膜用于溶剂纳滤技术的潜力。他们发现等离子体处理 40 秒后，薄膜的乙醇渗透率达到了 61.0 L·m -2·hour -1·bar -1，当处理时间提高到 50 和 60 秒后，这一数值增加到了 156.8 和 487.7 L·m -2·hour -1·bar -1，这一结果是当前文献结果的 3-10 倍，创造了乙醇渗透率率的最高纪录；处理 40 秒后，薄膜对玫瑰红RB 的截留率为 98.3%，随着处理时间进一步增加到 50 秒和 60秒，截留率下降到了 94.5% 和 80% 以下。

张岁自 2017 年 10 月回到新加坡国立大学独立建组，其团队围绕膜分离及其应用开展研究，主要包括三个方面：1）水处理和海水淡化的高分子膜；2）以石墨烯为基础的溶剂纳滤膜；3）用于在氢气、甲烷 二氧化碳等气体分离的膜分离技术。

此前，张岁团队研发出了一种具有高通量、抗污染性能的中空纤维反渗透膜，将其用于废水处理。目前，其团队的多项技术已经授权给公司，正在进行商业化发展。张岁团队的下一步计划将继续将其膜分离技术与工业紧密联合，不断加深工业生产循环过程的特点，挖掘工业需要，使其技术能够真正投入到应用当中。