静电纺纳米纤维复合膜的润湿性调控及其油分离性能研究

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膜是一种常用的物相分离材料,通过调控其表面润湿性,可以很好地将其应用于油气或油水分离,是一种处理油污染的有效材料。利用油溶解在水中形成的水中油乳液和分散在空气中形成的气中油溶胶,本文以静电纺纳米纤维膜为基材,通过与二氧化硅(SiO2)复合来调控其表面润湿性,以简便快速的方法分别制备了超亲水-水下超疏油的水中油乳液分离复合膜和空气中超疏水-超疏油的气中油溶胶分离复合膜,并进一步研究了 SiO2对结构和润湿性的影响规律,建立了膜表面润湿性和油分离性能的构效关系。对于水中油乳液分离复合膜,以静电纺聚丙烯腈(Polyacrylonitrile,PAN)纳米纤维膜为基材,通过简便的溶胶-凝胶法在PAN纳米纤维膜内引入了无定型片状SiO2,制备了 PAN@SiO2纳米纤维膜。研究发现,SiO2有助于提升PAN@SiO2纳米纤维膜的机械性能,改善多孔结构,同时由于其表面丰富的亲水基团提升了亲水性,水下疏油性也随之提升。实验结果表明,PAN@SiO2纳米纤维膜用于水中油乳液分离具有较高的分离率和通量,对于甲苯乳液,仅在自重的作用下(1 kPa)分离率和通量可分别达到99.50%和3994.3±356.0 L·m-2·h-1。此外,PAN@SiO2纳米纤维膜可以通过简单的方式再生,并展现出优秀的循环性能。对于气中油溶胶分离复合膜,以聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)溶液为前驱体并混纺SiO2,通过静电纺丝法一步制得PVA@SiO2纳米纤维膜,且采用气相沉积法快速制备氟化的PVA@SiO2(F-PVA@SiO2)纳米纤维膜。研究表明,混纺SiO2和氟化增强了 F-PVA@SiO2纳米纤维膜的机械性能,其表面粗糙的结构和丰富的疏水基团提升了疏水性和疏油性。实验结果表明,F-PVA@SiO2纳米纤维膜对平均粒径为0.26μm的石蜡油溶胶在较低的空气阻力下有较高的分离率和油负载量,在169.5±9.5 Pa的压力下,单次过滤效率达到了 95.58±0.42%,30分钟的油负载量达到了 12.8g·m-2。此外,F-PVA@SiO2纳米纤维膜可快速再生,能进行多次循环且循环性能稳定。
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