mile米乐m6(中国)官方网站v 开发出氧化石墨烯膜，可以一次性分离去除各种药物和生活相关的有机污染物

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）环境创造研究部表面化学应用研究组高级首席研究员王正明、零排放国际合作中心首席研究员吉泽纪子、京都大学工学研究科流域环境质量研究中心助理教授武内佑等人对不同极性的微量物质进行了调查医药/生活相关有机污染物高效分离去除的新产品（药品和个人护理产品，以下简称PPCP）氧化石墨烯（氧化石墨烯，以下简称GO）膜技术。

该技术使用带正电的二维形状碳量子点将碳量子点（Carbon Quantum Dots，以下简称CQD）置于带负电的GO层之间，可以获得层间电荷态受控的CQD-GO复合薄膜。所得CQD-GO复合膜的层间同时存在可正离解和负离解的官能团（原子的特征集合），并且由于静电斥力和亲疏水性差异造成的排斥作用，各种极性的PPCP被一次性去除。与过去的GO膜研究实例相比，不仅对负离子型和中性PPCPs的去除率大大提高，而且比常规的吸附现在可以去除随后穿过膜的正离子型PPCP，去除率达到56%以上。同时分离去除极少量的正、负、中性PPCP的能力是再生水先进利用的一大优势，有望为解决全球水资源问题做出贡献。

该技术的详细信息将于 2023 年 7 月 21 日公布。化学工程杂志

如何解决全球水问题可持续发展目标 (SDG)，而有效利用再生水作为水资源是重要的解决方案之一。然而，人类使用的水中存在数千种由人类活动产生的PPCP。即使是微量的 PPCP 也会引起耐药性，并对人类和生态系统造成危害，因此迫切需要能够有效处理尽可能多类型的 PPCP 的技术。

然而，由于PPCP种类繁多、极性（正离子/负离子、中性）、亲水/疏水特性以及浓度低，完全分解和去除PPCP极其困难。传统的处理技术包括吸附、光催化剂、利用各种氧化剂（氯、臭氧、过氧化氢等）和紫外线的加速氧化方法。然而，这些方法在可处理的污染物种类和处理效率方面受到限制，次要问题包括重复使用的再生操作复杂以及有毒副产物的产生。先进的膜技术纳滤膜是啊反渗透膜，将这些技术结合起来的复合膜技术已经实现了较高的PPCPs去除率，但由于设备复杂、成本较高以及一些小尺寸亲水污染物可以通过的问题，它还不能去除所有的PPCPs。

AIST 正在研究减少环境影响的技术，以维持健康的水和大气循环，并正在开发一种高效技术，利用各种 GO 膜和石墨烯纳米复合材料去除微量浓度的有机污染物。 GO膜近年来在海水淡化、海水淡化和水环境领域受到广泛关注，因为它表现出独特的选择性透水性，具有碳质膜特有的耐化学性、防污和抗闭塞性能，并且具有制造相对简单的优点。产业技术研究院迄今已开发出高性能石墨烯-二氧化钛复合光催化材料（waterproject2021pdf (aistgojp) [PDF:67MB]) 和介孔垂直排列夹层石墨烯-介孔二氧化硅复合材料 (2017 年 10 月 13 日 AIST 新闻稿10686_10783离子的库仑势[1]的强度密切相关。基于这些知识，我们假设通过适当控制GO的层间电荷状态，可以一次分离和去除各种极性的PPCPs等有机污染物。我们设计了一种利用GO膜特性的新型膜结构，并开发了一种复合石墨烯膜技术，可以一次性分离和去除不同极性的PPCPs。

此项研发基于多机构协作计划探索促进项目 TIA“Kakehashi”(https://wwwtia-nanojp/page/dir000027html

在这项研究中，我们根据之前报道的结果，设计了一种在 GO 层之间插入 CQD 的方法，并开发了一种新型 CQD-GO 复合膜，该膜由于静电排斥和亲水性和疏水性的差异而具有排斥作用。

CQDs是原子级厚度为几纳米至几十纳米的二维平面颗粒，其骨架结构由多环芳香族或其他不饱和碳结构组成。它确实具有量子点的特性，并表现出如图 1(a) 所示的发光特性。由于边缘有大量可解离的表面官能团，因此可以溶解在水中，如图1(b)中的照片所示。它还与GO具有良好的兼容性。这次，我们适当选择了化学合成条件，并创建了表面带正电的 CQD。图 1(c) 显示了通过将这些 CQD 与 GO 混合并将其沉积在支撑物上而形成的薄膜照片，GO 具有带负电的表面。当我们使用透射电子显微镜放大并观察薄膜正上方的区域时（图1（d）），我们可以看到尺寸为数十纳米或更小、形状不规则的CQD位于GO薄膜内部。置闰我已经确认确实如此。

这样创建的CQD-GO复合膜结构在GO层之间创造了一个正负电荷共存的化学环境，如图2的结构模型图所示，并由于静电斥力阻止带正电和负电的有机污染物通过。另一方面，由于膜层之间存在较强的亲水环境，由于亲疏水性差异产生的排斥作用，对中性有机污染物的膜渗透也不利。

使用该复合膜，我们通过实验室级膜分离装置评估了对37种小分子量（<1000）和不同极性的PPCP的分离效果（图3）。在 CQD-GO 复合薄膜中评估的所有极性 PPCP 均较高移除率由于反映了带负电的表面特性，仅由GO制成的膜只能吸附大部分正离子型PPCP，去除效果甚微。相比之下，CQD-GO复合膜能够对所有阳离子PPCP实现至少56%的去除率。此外，CQD-GO复合膜对负离子型和中性PPCPs的去除率均得到大幅提高。由此认为，CQD-GO复合膜的分离机理很大程度上是由于正负电荷共存的层间化学环境引起的静电斥力以及亲水性和疏水性差异造成的斥力效应。

这些结果表明，具有CQD插入的混合电荷型层间环境的GO复合膜具有静电斥力和极性斥力效应，并且可以同时去除多种不同极性的PPCP。利用新开发的CQD-GO复合膜，可以同时处理多种类型的PPCP，这将有助于开发高效的再生水处理技术，解决全球水资源问题。

未来，我们将进行研究，优化复合膜的物理化学结构，将其分离性能提高到可实际使用的水平。未来，我们的目标不仅是将其应用扩展到环境水处理领域，还扩展到制药制造等其他工业过程。

已出版的杂志：化学工程杂志
论文标题：通过碳量子点控制氧化石墨烯膜的层间充电环境，实现对不同极性的药品和个人护理产品的全面排斥
作者：Matsuki及川、Haruka Takeuchi、Ryota Koide、Noriko Yoshizawa、Zheng-Ming Wang、Setsuko Koura
DOI：https://doiorg/101016/jcej2023144811

[1] Oikawa 等人：深入了解离子性在氧化石墨烯膜脱盐和分离中的作用，海水淡化 552 (2023) 116433.

国立产业技术综合研究所
环境创造研究部表面化学应用研究组
高级首席研究员王正明邮箱：zm-wang*aistgojp（发送前请将*改为@。）

药品/生活相关有机污染物

它是一种有机污染物，源自人类和农业药品以及用于个人护理的日常用品（例如洗发水、肥皂和化妆品）的排放。据了解，其种类有数千种，物理化学性质多样，难以分解，在水生环境中持续存在。其中许多被设计为具有特定的生理活动，因此即使残留在环境中的微量也会对生态系统产生影响。近年来，人们还担心出现具有所谓“耐药性”的新病原菌，由于水环境中抗生素的持续存在，这些细菌对抗生素产生了耐药性。传统的污水处理技术很难对其进行处理。[返回来源]

氧化石墨烯

氧化石墨是用强氧化剂对结晶石墨进行液相氧化而生成的，分散在水中并逐一剥离。它具有丰富的含氧表面官能团，在水中释放出质子，表面带负电，形成稳定的胶体溶液。它可以很容易地与其他纳米材料混合形成功能复合结构，或分层沉积在支撑物上形成薄膜。[返回来源]

碳量子点

这些是碳纳米粒子，其尺寸足够小，足以引起量子限制效应并表现出发光。它们大多数具有二维形状，厚度小至原子大小。除了尺寸效应之外，源自官能团的化学发光也被报道为一种发光机制。根据合成条件可以产生表面官能团，并且由于其具有优异的水溶性，因此也可用作合成纳米复合材料时的构成材料。[返回来源]

吸附

这是一种利用物理和化学亲和力将污染物浓缩并固定在多孔材料的孔内或固体表面上的方法。为了重复使用，在达到吸附饱和（最大吸附量）后，需要进行再生过程，排出吸附物质，再次释放吸附位点。[返回来源]

可持续发展目标 (SDG)

这是联合国2015年通过的《2030年可持续发展议程》中提出的旨在到2030年建设一个可持续的、更加美好的世界的国际目标。英文是SDGs：可持续发展目标。 17 个目标中的第六个目标是“世界各地的安全用水和卫生设施。”[返回来源]

纳滤膜

一种孔径为1至2纳米、截留分子量为200至1000的水处理膜。被称为表面电荷，它可以阻止尺寸小于2纳米的颗粒和聚合物的通过。材料包括陶瓷和有机聚合物。[返回来源]

反渗透膜

一种只允许水通过而不允许无机离子通过的水处理膜。通过施加抵抗渗透压的高水压（50至70个大气压）可以将离子与水分离，因此应用于海水淡化和其他海水淡化过程。材质主要为醋酸纤维素等有机材料。[返回来源]

离子的库仑势

它是无机离子表面电荷密度的量度，也是静电力强度的指标。它通常定义为离子的电荷或电荷的平方除以离子半径。[返回来源]

置闰

它是指在层状化合物的层之间插入其他分子、分子团或纳米颗粒的反应。[返回来源]

移除率

这是进水侧（未处理水侧）和渗透水侧（处理水侧）污染物浓度差除以进水浓度的百分比。[返回来源]