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电纺纳米纤维用于污水处理:具有高效抗菌和乳液分离的复合聚丙烯腈纳米纤维


一、研究背景
水资源污染导致的死亡人数和疾病传播量每年都在增加。其中,工业快速发展排放的大量含油废水是造成水污染的主要原因之一。因此,含油废水的有效处理受到了人们的广泛关注。传统油水分离技术包括聚结、混凝、气浮和生物处理。然而,这些技术存在分离效率低、操作成本高的缺点,应用有限。近年来,膜分离技术因其选择性高、能耗低、操作简单等优点,被认为是处理含油废水最有前途的方法,亲水性纳米纤维膜由于其优异的耐油性,在含油废水处理中很受欢迎


二、研究亮点
该团队利用静电纺丝技术制造了一种纳米纤维膜,其中液体聚合物液滴通电并拉伸以制造纤维。他们通过在膜表面装载银纳米颗粒来增加膜表面的粗糙度。在水中,这种粗糙的表面促进了一层稳定的水层,作为防止油滴进入膜的屏障。
研究团队表示这种水化层有效地阻止了油滴的通过,减少了膜污染,提高了复合膜的渗透性和分离效率。银纳米颗粒还增强了膜的抗菌性能。将它们结合在一起可以最大限度地降低微生物引起的膜腐蚀风险。该团队还发现,膜的表面粗糙度和水化层强度是影响其分离性能和防污能力的关键因素。这种在纳米纤维膜上沉积颗粒的概念也有可能与其他材料一起广泛应用。这种制造方法的电流输出能力相对较低。然而,该团队希望开发这种材料将有助于解决水污染的综合问题。
利用咪唑沸石skeleton-8@silver纳米团簇复合聚丙烯腈(ZIF-8@AgNCs/采用静电纺丝和原位生长技术制备了PAN)纳米纤维膜。对复合膜的表面化学、形貌和润湿性进行了表征。水解PAN纳米纤维表面的羧基可以与锌离子(Zn2+)络合,被用作多孔金属有机骨架(ZIF-8)的生长位点。同时,将AgNCs负载到ZIF-8中,以实现ZIF-8@AgNCs和纳米纤维。ZIF-8@AgNCs的装载量,主要影响膜表面的粗糙度和孔隙率,这是由AgNCs的加入量调节的。课题组为了研究结构-性能关系,研究了 ZIF-8@AgNCs(x)/PAN 对水中石油醚的渗透性和效率 。

图1 SEM图像ZIF-8@AgNCs(x) /PAN膜:(a)x=0,(b)x=5,(c)x=10,(d)x=20,和(e)x=40;(f) 不同膜的孔隙率;(g) 润湿性PAN、H-PAN和ZIF-8@AgNCs(x) /PAN(x=0,5,10,20,40)膜;(h) 不同AgNCs添加制备的膜的渗透性和分离效率

 

随着ZIF-8@AgNCs的负载,复合膜的渗透性和效率进一步提高。如图 1(h)所示,ZIF 8@AgNCs(0)/PAN 的渗透率为 51 450 ± 1265 Lm−2 h−1 bar−1 ,而 ZIF-8@AgNCs(20)/ PAN 增加到 64 318 ± 1547 Lm−2 h−1 bar−1 。 结果与膜表面润湿性的结果一致。然而,ZIF-8@AgNCs(x) /PAN(当x = 0, 5, 10)的分离效率达到最大值,值大于98.6%。 ZIF-8@AgNCs 在膜上的负载量显着影响形成水化层的能力。此外ZIF-8@AgNCs/PAN膜对革兰氏阴性大肠杆菌(E.coli)和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(S.aureus)具有较高的抗菌活性,有利于膜的长期储存和使用。


图2(a) 渗透性和(b)用于分离各种乳液的不同膜的分离效率;(c) 的循环分离性能theZIF-8@AgNCs(10) /PAN膜。PAN、H-PAN的细菌抑制区的图像,ZIF-8@AgNCs(0)/PAN,以及ZIF-8@AgNCs(10) /PAN膜:(d)大肠杆菌和(E)S.金黄色葡萄球菌;(f) 细菌抑制区的相应直径ZIF-8@AgNCs(0)/PAN和ZIF-8@AgNCs(10) /PAN。


三、结论
A.ZIF-8@AgNCs/通过静电纺丝和原位负载成功地完全构建了PAN纳米纤维膜。值得注意的是,可以通过改变AgNC的进料量来调节膜的表面粗糙度和孔隙率。由于膜表面粗糙度的增强(Ra值为1300.0±117.6nm)和构建的精细微/纳米结构在膜上,水包油乳液的渗透性和分离效率显著提高。在膜中,ZIF-8@AgNCs(10) /PAN实现了最佳的分离性能。经过10次分离循环后,分离效率仍高于98.6%(对于SDS稳定的甲苯水包乳液)。此外ZIF-8@AgNCs/PAN膜也表现出优异的抗菌活性,有利于防止膜的微生物污染。本研究提供了一种制造具有抗菌能力的有效乳液分离膜的策略,确保了它们在长期存储和应用过程中的性能。


 

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