西北师范大学李健教授团队《ACS AMI》:牺牲模板策略制备自清洁纳米纤维膜可高通量有效分离水包原油乳液

日益严重的油水污染问题加剧了全球性的水资源短缺,如何简单、快速地将含油废水高效分离已经受到了社会的极大关注。然而大多数材料在油水分离过程中极易受到膜污染问题导致其分离效率和通量衰减,从而极大限制了它们的广泛应用。为解决上述问题,西北师范大学李健教授团队以ZIF-8为牺牲模板,采用静电纺丝技术制备出的纤维膜后经一系列的酸刻蚀/碱水解,从而构建出形貌类似苦瓜状的褶皱纳米纤维膜 (momordica-charantia-like nanofibrous membrane, MCNM),其孔隙率高达94%,对表面稳定的水包原油乳液分离通量可达1100 L m-2 h-1,并且显示出优异的自清洁性能相关研究以“Sacrifice Template Strategy to the Fabrication of a Self-Cleaning Nanofibrous Membrane for Efficient Crude Oil-in-Water Emulsion Separation with High Flux”为题发表在最新的《ACS Applied Materials & Interfaces》上。第一作者为西北师范大学硕士生巫明明,通讯作者为博士生导师李健教授

【MCNM的制备】

如图1所示,作者首先在水环境中快速合成粒径约80-100 nm的ZIF-8晶体,随后分散在DMF-PAN溶液中,电纺出的纤维膜经酸刻蚀、碱水解,已经对各个物理参数的对比调控,制备出形貌类似苦瓜状的纳米纤维膜 (MCNM)。同时,所制备的MCNM能够在重力条件下实现对水包原油及其他乳液的成功分离。

西北师范大学李健教授团队《ACS AMI》:牺牲模板策略制备自清洁纳米纤维膜可高通量有效分离水包原油乳液

图1 MCNM的制备

【图文速览】

西北师范大学李健教授团队《ACS AMI》:牺牲模板策略制备自清洁纳米纤维膜可高通量有效分离水包原油乳液

图2 (a, d) PAN膜,(b, e) PAN@ZIF-8膜和 (c, f) MCNM在不同工艺条件下的FE-SEM表征;(g) PAN@ZIF-8膜和 (h) MCNM的三维形貌图像

西北师范大学李健教授团队《ACS AMI》:牺牲模板策略制备自清洁纳米纤维膜可高通量有效分离水包原油乳液

图3 (a) 模拟ZIF-8和制备的ZIF-8晶体的XRD谱图;(b) ZIF-8、PAN膜、PAN水解 (H-PAN) 膜、 PAN@ZIF-8膜和MCNM的FT-IR;(c) MCNM的EDS图像;(d) PAN@ZIF-8膜和处理后MCNM的XPS中Zn 2p3的光谱对比;(e) MNCM的N2吸-脱附曲线;(f) BJH法测定MCNM的孔径分布。

【总结】

作者利用静电纺丝技术以酸性环境中极其不稳定的ZIF-8纳米晶体为模板,制备出了MCNM,该纤维膜虽然在制备过程中经受酸刻蚀、碱水解过程,但在后续极端条件经过测试,仍然具有优异的化学和机械稳定性,对于水包原油在内的诸多乳液展示出良好的分离性能。该研究在今后的水处理及水体净化油水乳液分离应用方面提供了新的技术支持。

原来链接:

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c15387

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