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具有梯度孔径和亲水/疏水不对称结构的复合微/纳米纤维膜可实现高效微过滤

2024-01-26   易丝帮

近几十年来,静电纺丝技术引起了人们的高度关注,被广泛用于由数百种聚合物制备纳米纤维膜。聚乙烯醇缩甲乙醛(PVFA)作为一种具有高强度和耐热性等优异性能的聚合物,在电纺水处理膜方面的应用尚未见报道。本研究对电纺PVFA纳米纤维膜的制备工艺进行了优化,并探讨了氯化钠(NaCl)的加入对纳米纤维膜物理机械性能和微滤性能的影响。然后将疏水性PVFA纳米纤维过滤层与亲水性非织造支撑层相结合,构建了具有孔径梯度结构和亲水/疏水不对称结构的复合微/纳米纤维膜。最后,进一步研究了单向输水和水处理性能。结果表明,在静水压力下,复合膜的拉伸断裂强度可达37.8MPa,0.1-0.3µm颗粒的截留率为99.7%,水通量为513.4L/m2/h。此外,重复使用三次后,其保留率仍然超过98%。因此,电纺PVFA复合膜在微滤方面具有很大的潜力。

 

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图1.复合微/纳米纤维MF膜的制备流程图。

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图2.a-d)SEM图像:a)N-0,b)N-1,c)N-2,d)N-3。e-h)纳米纤维的直径分布:e)N-0,f)N-1,g)N-2,h)N-3。i)应力-应变曲线。j)孔隙率。k)孔径分布。l)接触角。


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图3.NaCl浓度对PVFA纳米纤维膜MF性能的影响:a)过滤装置,b)PVFA纳米纤维膜,c)显示水和悬浮液的光学图像,d)吸光度和用于计算保留率的拟合曲线,e)PVFA纳米纤维膜的水通量和保留率,f,g)过滤前后PVFA纳米纤维膜的SEM图像,h)不同PVFA纳米纤维膜的过滤溶液的光学图像。


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图4.a-d)热压前后膜两侧的SEM图像:a)ENMs的N-1,b)ENMs-H的N-1,c)ENMs的N-3,d)ENMs-H的N-3。e)ENMs/PPN-H的横截面,f)ENMs/PBN-H纳米纤维表面的SEM,g)ENMs/CN-H的横截面,H)ENMs/NN-H纳米纤维表面的SEM。i-k)复合膜的孔径分布、应力-应变曲线和拉伸断裂强度,l,m)非织造布的应力-应变曲线和拉伸断裂强度,n)纤维之间相互作用的示意图。


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图5.复合膜的单向水分传导性和反向拒水性:a)液体水分管理测试仪的光学图像,b)当N-1为水接触面时,ENMs-H的透水性,c)当N-3为水接触面时,ENMs-H的透水性,d)非织造布的接触角,e)ENMs/CN-H的水分传导性,f)ENMs/PPN-H的水分传导性。


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图6.复合微/纳米纤维膜的结构和原理展示:a)多层膜结构示意图,b)亲水/疏水不对称结构的单向导水机理,c)孔径梯度结构的快速导水机理。


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图7.复合膜的纯水通量:a)静水压力,b)不同的驱动压力,c)ENMs/CN-H在10小时试验中的纯水通量变化,d)ENMs/PPN-H在10小时试验中的纯水通量变化。


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图8.复合膜在50KPa的驱动压力下的过滤性能:a)ENMs/CN-H和ENMs/PPN-H的水通量和保留率随时间的变化,b)ENMs/CN-H的循环过滤性能和保留率,c)ENMs/CN-H的TGA,d)ENMs/CN-H的SEM-EDX。


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