芳纶纳米纤维基功能分离膜的制备及其应用

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膜分离技术作为一种新兴的有效分离技术,目前在水资源、能源、食品、化工和医疗保健等领域展现出良好的应用前景。相比于传统的聚合物膜,由于具有高孔隙率、大比表面积、互相连通的内部孔结构、以及孔径可调等独特优势,纳米纤维膜已成为有显著吸引力的分离膜材料之一。芳纶(芳香族聚酰胺)纳米纤维作为一种新型纳米纤维,既保留了宏观芳纶纤维优异的力学性能、高热稳定性、耐溶剂性,同时还展现了优异的高比表面积与表面活性、高长径比等特性。因此,芳纶纳米纤维可作为优异的增强构筑单元/基体,用于广泛构筑各种新型纳米纤维功能膜以及高性能纳米复合材料。面向复杂污水的高效低成本处理问题,本论文通过简便逐层沉积方法构筑了一种多功能水下超疏油壳聚糖&聚多巴胺@芳纶纳米纤维膜(CS&PDA@ANFs膜)。该杂化膜可以同时实现水包油乳液的高效分离和原位去除水溶性有机染料。得益于CS和PDA丰富的亲水官能团(如羧基和氨基),该复合膜在空气中表现出优异的超亲水润湿性,并赋予该纳米纤维膜以优异的水包油乳化液分离能力。具体而言,对于水包1,2-二氯乙烷乳化液展现出优异的分离性能(水渗透通量达到3729 g/m~2h,截留效率可达到99.3%)。此外,复合膜表面和内部的大量活性吸附功能位点(PDA与CS的氨基基团),使得复合膜展现出理想的染料吸附性能,例如对孔雀石绿的染料吸附性能36 mg/g、截留率高达97%。此外,为了利用渗透汽化膜分离技术来高效回收生物发酵液中的生物丁醇,本论文通过简便的“MOFs预分散&聚合物回填”耦合策略制备了沸石咪唑骨架材料(ZIF-8纳米颗粒)均匀分散的ZIF-8@芳纶纳米纤维/聚二甲基硅氧烷(ZIF-8@ANFs/PDMS)混合基质膜。借助相互连通的芳纶纳米纤维(ANFs)凝胶骨架对MOFs纳米颗粒的“锚定”作用,促进了MOF颗粒在后续PDMS聚合物基体中的均匀连续分布。得益于ZIF-8纳米颗粒沿着ANFs气凝胶骨架紧密、均匀生长的特定结构,有效缩短了ZIF-8纳米颗粒之间的间距,并大大增加了ZIF-8窗口的对接概率,为丁醇分子在PDMS基质中提供了具有选择性扩散的快速、连续的输运通道,实现了优异的丁醇分子渗透汽化分离性能。例如,在ZIF-8负载量为4.9 wt%时,混合基质膜对丁醇的渗透通量可达936 g~2/m~2h,分离系数也高达19.6。因此,这种创新的MOFs颗粒预分散策略可以为构建新型纳米颗粒均匀分散的混合基质膜提供理论依据与借鉴。
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