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东北林业大学程万里&韩广萍:电纺分层通道结构PAN纳米纤维膜的制备及其在废水处理中的应用

学术动态    2022-06-10 15:53

DOI: 10.1016/j.jclepro.2022.132167

 

随着人们对水资源可持续利用的迫切需求,高效、易用、经济的废水净化膜成为当前的一个研究热点。然而,通过化学途径将微/纳米结构集成到膜中不可避免地需要繁琐的处理并产生二次污染。在此,研究者通过对电纺结构聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜内的牺牲聚乙烯吡咯烷酮(PVP)核部分进行水蚀刻,开发了一种具有分层多孔通道结构的含油废水净化器。PAN纳米纤维膜具有优异的亲水性和水下超疏油性,这可归因于分层通道结构和纳米纤维表面丰富的纳米孔的协同效应。多孔通道结构增加了纤维之间的间隙,从而产生了新的渗透路径,导致水通量从2275显著增加至6700L/(m2·h)。分层结构有助于乳液破乳,使各种油/水乳液的分离效率提高(>97%)。这种绿色制造策略为开发下一代废水净化膜提供了新的途径。

 

图1.具有多孔通道结构的PAN纳米纤维膜的制备及形成机理。(a)纳米纤维膜的制备示意图。(b和c)从不同角度拍摄的喷嘴图像。(d)带电区域和流体接触界面的示意图。(e)纺丝过程的典型照片(插图:泰勒锥)。

 

图2.(a)纳米纤维膜的FTIR和(b)DSC。

 

图3.(a)PV的SEM和(b)TEM图像。(c)水蚀刻后PV的SEM图像。(d-f)PV3、PV2和PV1的SEM图像。下标1和2分别代表水蚀刻前后具有多孔通道结构的纳米纤维膜的形态。下标3表示下标2的放大图。

 

图4.(a)纳米纤维膜的孔径分布和(b)孔隙率。孔径分布和孔隙率的对比分析说明了多孔沟结构的突出贡献。

 

图5.(a)0s和10s时不同膜在空气中的水接触角(WCA)比较。(b)不同膜的水下油接触角(UOCA)值。(c)PV2膜的长期耐油性。(d)PV2水下动态油附着试验。

 

图6.具有多孔通道结构的PV2的优异水包油分离性能。(a)膜的水通量。(b)PAN和PV2对正己烷乳液的通量和分离效率。(c)PV2对不同乳液的通量和分离效率。(d)PV2对正己烷乳液的循环稳定性。(e)分离120分钟后PV2的SEM图像。(d)PV2对正己烷乳液的循环稳定性。(e)分离120分钟后PV2的SEM图像。(f)分离前后乳剂的数字和显微镜图像。

 

图7.示意图显示了纳米纤维膜的通道结构和纳米多孔表面在分离水包油乳液中的作用(未按比例)。(a)纳米纤维膜通道结构在水下超疏油性和抗油污染方面的优势。(b-c)膜的高通量机制,即通道结构和相互连接的纳米孔提供额外的水渗透通道。