碳纳米管的性能及其在海水淡化中的应用

碳纳米管的性能及其在海水淡化中的应用碳纳米管的性能及其在海水淡化中的应用摘要碳纳米管是近年来国内外广泛关注的一类纳米材料，具有一维特征孔道结构，能够有效促进液体分子的传输速率，是理想的海水淡化膜分离材料。通过将其引入到常用的海水淡化膜基质中，借以提高膜的分离性能，逐渐成为膜分离领域的一个研究热点。结了碳纳米管在反渗透、正渗透、膜蒸馏中的应用研究现状并分析了碳纳米管在反渗透、正渗透、膜蒸馏应用中的挑战，探讨了碳纳米管在海水淡化膜分离材料中的应用潜力。１碳纳米管的结构与功能碳纳米管的结构与功能Ｋｒｏｔｏ和Ｓｍａｌｌｅｙ于１９８５年首次发现了碳纳米管，直到１９９１年，由Ｉｉｊｉｍａ首次成功制备了碳纳米管。碳纳米管是一种由单层或多层石墨烯同轴缠绕而成的柱状或层套状的管状物，碳原子以ｓｐ２杂化为主并混有ｓｐ３杂化。碳纳米管性能优异，在微电子、生物医药和聚合物复合材料加固等方面应用潜力巨大。碳纳米管具有独特的本征空腔结构，输水能力超强，水分子在碳纳米管中的传输速度比理论计算的高出几个数量级。Ｈｕｍｍｅｒ等采用分子动力学模拟水分子在碳纳米管中的流动行为，并提出了水分子在碳纳米管中的快速输送机理：首先，水分子在碳纳米管内部形成强力、规则的氢键，利于水分子快速通过；其次，碳纳米管内腔疏水、无极性，与水分子之间的相互作用非常弱，水分子能够无摩擦地通过碳纳米管。Ｔｈｏｍａｓ等通过研究水分子在不同直径和长度的碳纳米管内的传输动力学，证明碳纳米管的内径对水分子的传输速度起决定作用。随着内径的增大，水分子在碳纳米管中的构型逐渐由线性链变为堆叠五边形和六边形，最后成为无规则水流（见图１）。当碳纳米管内径为０．８３ｎｍ时，水分子成线性链，流速达到最大。脱盐效果优异是碳纳米管在膜分离技术应用中的另一个重要性能。碳纳米管的内径和尺寸排阻效应与毛细管行为的临界尺寸相当，能够在内壁形成能垒，只允许水分子通过，而水合离子则需要克服能垒后通过。碳纳米管的内径对离子截留率的影响至关重要，当内径由０．６６ｎｍ增大到０．９３ｎｍ时，脱盐率由１００％降低到９５％。研究者采用数学建模的方法确定出水分子与钠离子和氯离子的分离分界点尺寸是０．３４～０．３９ｎｍ，当碳纳米管内径在此范围时，水分子能够通过碳纳米管，而尺寸较大的钠离子和氯离子则被排阻在外。因此，碳纳米管作为聚合物膜改性材料提高通量和脱盐率，在动力学上是可行的，在膜分离领域中具有潜在的应用价值。上述碳纳米管展现出的快速水传递行为和离子截留效果，表明其作为海水淡化分离膜材料在过程动力学上的可行性。此外，碳纳米管还具有抗菌耐污性、耐氯性、抗氧化性等特殊的理化性质，有助于解决膜长期应用中的稳定性问题，延长膜使用寿命。碳纳米管在膜分离领域的应用得到了深入研究。２碳纳米管在膜分离材料中的应用进展碳纳米管在膜分离材料中的应用进展米管中制备而成，见图２（ａ）；后者通常是将一定量的碳纳米管与高分子基质复合制备而成，碳纳米管可分布在复合分离膜的基膜、分离层，并且能够修饰到膜的表面。整，利于水分子的快速传输。Ｈｉｎｄｓ等膜，该膜具有超强的输水能力。Ｂａｅｋ等膜用于水处理的可行性，且该膜的水通量是商业超滤膜的３倍，水传输速度较传统的无滑移流动快近７０膜通常将疏水性高分子材料（聚苯乙烯、环氧树脂等）填充到垂直排列的碳纳米管中制备而成，膜的耐污染能力有待提高Ｔ膜制备过程简单，与现有的制膜工艺类似，通过调节碳纳米管在复合膜中的分布位置，能够满足不同种类分离膜的性能要求，是碳纳米管在反渗透、正渗透和膜蒸馏技术中的重要应用形式。33碳纳米管在反渗透膜中的应用纳米管在反渗透膜中的应用反渗透膜分离技术因具有装置安装简单、操作简便、运行能耗低、投资省等优点，已经被广泛应用在海水和苦咸水淡化领域，是未来发展前景最好的海水淡化技术。目前反渗透膜与膜组件的生产已经相当成熟，脱盐率达到９９．８％，通量高，抗污染和抗氧化能力也不断提高，进一步提升膜性能变得越来越困难。纳米技术的引入为突破反渗透膜性能瓶颈提供了新的机遇，将碳纳米管掺杂到反渗透膜中，能够显著改善膜的水通量、耐污性和耐氯性等性能。碳纳米管比表面能较高，在反渗透膜时容易发生团聚，影响膜性能。对碳纳米管进行改性能够提高其在高分子基质中的分散性，减少分离层缺陷，提高膜性能。采用ＨＮＯ３、Ｈ２ＳＯ４等强酸氧化处理碳纳米管，能够有效降低其比表面能，同时碳纳米管表面的羧基、羟基等基团也能使其亲水性显著提高，增大碳纳米管与高分子基质间的相容性。Ｚｈａｎｇ等将酸化的ＭＷＣＮＴ掺杂到聚酰胺分离层中，膜的水通量高达７１Ｌ／（ｍ２·ｈ），较原膜提高２．７倍。ＭＭＣＮＴ膜通量提高的原因有以下两点：（１）碳纳米管为水分子提供水通道；（２）碳纳米管与聚酰胺相容性有限，形成膜缺陷，最终大幅提高水通量。虽然碳纳米管内壁的能垒能够赋予其优异的脱