Engineering Multinanochannel Polymer-Intercalated Graphene Oxide Membrane for Strict Volatile Sieving in Membrane Distillation

膜蒸馏 石墨烯 渗透 化学工程 海水淡化 聚合物 氧化物 材料科学 化学 纳米技术 有机化学 生物化学 工程类
作者
Zhigao Zhu,Minjie Song,Fangshu Qu,Yujun Zhou,Yue Yang,Junwen Qi,Jiansheng Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (2): 1399-1409 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c08452
摘要

Graphene oxide (GO) membranes enabled by subnanosized diffusion channels are promising to separate small species in membrane distillation (MD). However, the challenge of effectively excluding small volatiles in MD persists due to the severe swelling and subsequent increase in GO interlamination spacing upon direct contact with the hot feed. To address this issue, we implemented a design in which a polymer is confined between the GO interlaminations, creating predominantly 2D nanochannels centered around 0.57 nm with an average membrane pore size of 0.30 nm. Compared to the virginal GO membrane, the polymer-intercalated GO membrane exhibits superior antiswelling performance, particularly at a high feed temperature of 60 °C. Remarkably, the modified membrane exhibited a high flux of approximately 52 L m–2 h–1 and rejection rates of about 100% for small ions and 98% for volatile phenol, with a temperature difference of 40 °C. Molecular dynamics simulations suggest that the sieving mechanisms for ions and volatiles are facilitated by the narrowed nanochannels within the polymer network situated between the 2D nanochannels of GO interlaminations. Concurrently, the unrestricted permeation of water molecules through the multinanochannel GO membrane encourages high-flux desalination of complex hypersaline wastewater.
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