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西北师范大学李健:构建具有特殊微纳米结构的Janus纳米纤维膜以高效分离油水乳液

 
发布日期:2022-07-11     来源:永康乐业
 

DOI: 10.1016/j.seppur.2022.121532

 

具有超亲水性/水下超疏油性SHL/UWSOB或疏水性/油下超疏水性HB/UOSHB的超润湿膜是化工行业中的关键件。然而,尽管这些膜具有独特的润湿性,但在满足发展中社会的需求方面仍然存在挑战。在此,研究者采用自下而上的静电纺丝策略,使用两种不同的前体:沸石咪唑酯骨架-8-聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺(ZIF-8-PAN/DMF)和蜡烛烟灰-聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺CS-PAN/DMF构建了具有特殊微纳米结构的Janus纳米纤维膜。PAN@ZIF-8纳米纤维膜表现出HB/UOSHB,油中水接触角大于150°,而PAN@CS纳米纤维膜表现出良好的SHL/UWSOB,在水中的油接触角大于151°。同时,所得Janus纳米纤维膜对各种油水乳液表现出优异的截留率(99.1%),并且仅由重力驱动的通量高达1720±20L/m2/h。所制备的Janus膜在不影响通量和截留率的情况下循环了5次,表明其具有良好的循环稳定性。对比分析表明,所得Janus纳米纤维膜的综合分离性能优于现有的均质或其他Janus膜。更重要的是,所制备的Janus膜在恶劣条件(酸性和碱性环境)下显示出较好的化学稳定性。总体而言,本研究为构建性能稳定的Janus膜提供了一种简便有效的方法,该膜可用于油水分离、渗透气化和海水淡化等多个方面

 

 

1.Janus纳米纤维膜制备及其在油水乳液分离中的应用示意图。


 

2.(a,b)制备的原始PAN膜、(c,d)CS和制备的PAN@CS表面,以及(e,f)合成的ZIF-8晶体和所得PAN@ZIF-8表面的FE-SEM图像。(g)PAN@ZIF-8和(h)PAN@CS表面的3D形貌图像。(i)模拟ZIF-8和制备的ZIF-8的XRD图谱。(j)ZIF-8和CS的FT-IR。(k,l)PAN@ZIF-8表面和PAN@CS表面的EDS映射图像。


 

3.制备的PAN膜的润湿性:(a)UWOCAs,(b)UOWCAs。获得的Janus纳米纤维膜两侧的润湿性:(c)在空气和水中的OCAs;(d)在空气和油中的WCAs。


 

4.(a和b)W/Hex和(c和d)Hex/W乳液以及相应滤液的粒度分析、数码照片和显微镜图像。Janus膜的分离性能:(e)K/W、Hep/W和DM/W乳液以及相应滤液的照片;(f)W/K、W/Hep和W/DM乳液以及相应滤液的照片。


 

5.Janus纤维膜对各种油水乳液的分离性能。(a和c)Janus膜对油水乳液的截留率和通量,(b和d)以Hex/W和W/Hex乳液为例的循环稳定性。


 

6.乳液分离示意图:(a)水相不能透过纳米纤维膜,ΔP>0;(b和c)油相和水相可以透过纳米纤维膜,ΔP<0;(d)油相不能透过经水预先润湿的纳米纤维膜,ΔP>0。

 
 
 

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