科研人员制备新型石墨烯膜，高效利用盐湖卤水资源

文章来源：科技日报

记者9月3日从兰州大学获悉，该校稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛团队在《纳米快报》上发表题为“涡流剪切力场制备具有牛顿环结构的超平氧化石墨烯膜用于离子筛分”的成果。

研究团队通过研究氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中的结构组成的动态变化过程，发展出一种超级简单的涡旋力场拉伸堆积成膜策略，制备出高选择性、低能耗的超平层间结构的涡旋氧化石墨烯膜，实现了实验室阶段盐湖中锂、钾、镁等离子的选择性高效分离。

膜分离是高效无相变、绿色无污染的新型分离技术，但传统的膜分离技术很难用于盐湖卤水中碱土金属离子的选择性分离，因此有必要发展一类更为简单、高效、经济环保的膜分离技术，促进我国盐湖卤水资源高质化利用。

氧化石墨烯膜因其优异的物理和化学特性在分离分析领域具有重要的应用潜力。然而，氧化石墨烯表面存在大量含氧基团，在堆叠成膜的过程中产生大量褶皱。这些褶皱会干扰氧化石墨膜层间狭缝中的离子传质过程，从而降低其渗透性和选择性。因此，亟须解决二维膜选择性和渗透性之间的权衡问题，实现离子的高效快速分离。

研究人员通过简单的机械搅拌的方式，对氧化石墨烯溶液施加涡流力场，制备出层间结构可调的超平涡旋氧化石墨烯膜，并使用该膜实现了盐湖卤水中单价离子与二价镁离子的高选择性筛分。

研究发现，氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中，其边缘位置受到不同大小和方向剪切力的拉扯，该作用不但消除了石墨烯表面存在的大量褶皱，且促使表面褶皱间脂基的水解，变成羧基和羟基，进而大幅提高石墨烯表面的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在涡旋力场的作用下，形成一种具有彩色牛顿干涉环的超平氧化石墨烯膜。经过大量实验验证，机械搅拌转速增大，涡流剪切力作用增强，增加了含氧基团的数量，同时涡旋氧化石墨烯膜的平整度大幅增加，层间距逐渐减小，层间结构的稳定性显著提高，水通过超平整层间通道的阻力大幅降低，有效水通量增加约三倍。

在真实盐湖水的离子分离中，该膜对Li+/Mg2+、Na+/Mg2+和K+/Mg2+表现出优异的碱金属与碱土金属离子筛分效果，具有高度的工业应用前景。

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