Abstract Graphene oxide (GO) has been widely explored for the improvement of thin-film composite (TFC) membrane performance. However, the influences of GO flake lateral size on the polyamide (PA) TFC membrane properties and performances have not been investigated. In this study, GO suspensions with an average flake size ranging from 0.01 to 1.06 μm2 were prepared by varying the sonication duration between 0 and 8 h. The different sized GO flakes were embedded in the PA layer to examine the effect of their size on the morphology and performances of TFC forward osmosis (FO) membranes. The specific reverse solute flux and water flux of the GO-modified thin-film nanocomposite (TFN) membranes improved by over 60% and 50%, respectively, when the average GO flake size was reduced from 1.06 to 0.01 μm2 due to the formation of a thinner and more uniform PA layer. Large GO flakes deteriorated membrane performance by creating impervious regions that obstructed the reaction between monomers during the interfacial polymerization process resulting in defective PA layer formation. Whereas, smaller GO flakes distributed more uniformly in the PA layer creating fewer defects, and demonstrated better desalination performance and antifouling property than the TFN membranes modified with larger GO flakes. These results deliver strategies for future improvements in GO or 2D nanomaterial-based TFN membranes, where smaller flake size can be beneficial for minimizing PA layer defects.

中文翻译：

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氧化石墨烯横向尺寸对正渗透膜性能和性能的影响

摘要 氧化石墨烯 (GO) 已被广泛探索用于改善薄膜复合 (TFC) 膜的性能。然而，尚未研究 GO 薄片横向尺寸对聚酰胺 (PA) TFC 膜性能和性能的影响。在这项研究中，通过在 0 到 8 小时之间改变超声处理持续时间来制备平均薄片尺寸为 0.01 到 1.06 μm2 的 GO 悬浮液。将不同尺寸的 GO 薄片嵌入 PA 层中，以检查它们的尺寸对 TFC 正向渗透 (FO) 膜的形态和性能的影响。当平均 GO 薄片尺寸从 1.06 减小到 0 时，GO 改性薄膜纳米复合材料 (TFN) 膜的特定反向溶质通量和水通量分别提高了 60% 和 50% 以上。01 μm2 由于形成更薄且更均匀的 PA 层。大的 GO 薄片通过在界面聚合过程中形成不透水区域阻碍单体之间的反应，从而导致有缺陷的 PA 层形成，从而降低了膜性能。而较小的 GO 薄片在 PA 层中分布更均匀，产生的缺陷更少，并且比用较大的 GO 薄片改性的 TFN 膜表现出更好的脱盐性能和防污性能。这些结果为未来改进基于 GO 或 2D 纳米材料的 TFN 膜提供了策略，其中较小的薄片尺寸有利于最小化 PA 层缺陷。大的 GO 薄片通过在界面聚合过程中形成不透水区域阻碍单体之间的反应，从而导致有缺陷的 PA 层形成，从而降低了膜性能。而较小的 GO 薄片在 PA 层中分布更均匀，产生的缺陷更少，并且比用较大的 GO 薄片改性的 TFN 膜表现出更好的脱盐性能和防污性能。这些结果为未来改进基于 GO 或 2D 纳米材料的 TFN 膜提供了策略，其中较小的薄片尺寸有利于最小化 PA 层缺陷。大的 GO 薄片通过在界面聚合过程中形成不透水区域阻碍单体之间的反应，从而导致有缺陷的 PA 层形成，从而降低了膜性能。而较小的 GO 薄片在 PA 层中分布更均匀，产生的缺陷更少，并且比用较大的 GO 薄片改性的 TFN 膜表现出更好的脱盐性能和防污性能。这些结果为未来改进基于 GO 或 2D 纳米材料的 TFN 膜提供了策略，其中较小的薄片尺寸有利于最小化 PA 层缺陷。并显示出比用更大的 GO 薄片改性的 TFN 膜更好的脱盐性能和防污性能。这些结果为未来改进基于 GO 或 2D 纳米材料的 TFN 膜提供了策略，其中较小的薄片尺寸有利于最小化 PA 层缺陷。并显示出比用更大的 GO 薄片改性的 TFN 膜更好的脱盐性能和防污性能。这些结果为未来改进基于 GO 或 2D 纳米材料的 TFN 膜提供了策略，其中较小的薄片尺寸有利于最小化 PA 层缺陷。