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电纺丝用于油水分离:通过定向通道凹凸棒石基纳米纤维膜实现高分离性能


目录:

1. 摘要

2. 研究亮点

2.1 无序和有序mATP膜的制备

2.2 ATP和mATP纳米纤维的表征

2.3 磁场对mATP膜渗透性能的影响

3. 结论

 

1. 摘要:

纳米纤维膜以其高孔隙率和相互连接的孔结构而闻名。然而,它们的分离应用和性能受到纳米纤维随机堆积形成的不规则孔结构的影响。在此,我们报道了一种生产具有定向通道、窄孔径和低曲折度的纳米纤维膜的简单方法。该膜显示出双层结构,其中磁性凹凸棒石(mATP)纳米纤维层直接支撑在大孔氧化炉基底上。mATP层是通过在预充有水的基底顶部滴涂悬浮液来制备的,并且在磁场存在下形成有序的孔结构。与无序膜相比,有序膜的平均孔径从0.45 μm减小到0.28 μm,透水率从1007增加到1121Lm−2 h−1· bar−1。此外,有序膜的固定通量增加了59%,对水包油乳液的保留率从98.7%增加到99.2%。使用Hermia模型对膜污染的分析表明,有序膜可以减少膜堵塞,从而有助于膜清洁和恢复分离性能

图1  磁场辅助法制备有序mATP层纳米纤维膜。

 

2.研究亮点:

2.1 无序和有序mATP膜的制备:

有序的mATP膜是通过磁场辅助滴涂工艺制备的。多孔氧化铝淘瓷支架预充水。然后,将支架转移到平行磁场中,将0.6 mLmATP悬浮液滴涂在支架表面。维持磁场10 min,使mATP纳米纤维定向。之后,将涂层膜在空气中干燥12h,然后转移到温度为70℃的烘箱中12h,最后,将干燥膜在650℃的电炉中煅烧。为了比较,无序mATP膜是在类似的过程中制备的,但没有磁场。

 

2.2 ATP和mATP纳米纤维的表征:

ATP纳米纤维是一种一维材料,表面光滑,如图2a所示。修饰后,在mATP表面观察到纳米颗粒(图2b)。然后,用XRD分析方法对制备的mATP粉末的组分和相态进行了表征。从图2c可以看出,在8.5°、16.4°、20.8°、24.2°和26.6°的特征峰属于ATP ,说明粘土纳米纤维在改性过程中是稳定的。31.2°,36.8°,44.7°,55.6°,59.3°和65.2°的峰值归因于四氧化三铁的存在。这些结果表明在ATP表面成功形成了四氧化三铁纳米颗粒,这与图2b非常吻合。磁滞回线也证实了mATP的磁性能,如图2d所示。曲线呈S形,饱和磁化强度约为8.3 emμ·g−1。这张数码照片说明了mATP悬浮液在磁场中的磁性吸引行为。悬浮中的黑色mATP粉末由于磁铁的磁力聚集在玻璃瓶的一侧,而瓶的另一侧的液体是透明的。这一结果表明四氧化三铁与ATP在mATP中有很强的结合

图2 (a)ATP,(b) mATP微观结构;(c) mATP的XRD图,(d) mATP的磁滞回线。

 

2.3 磁场对mATP膜渗透性能的影响

无序mATP膜的微观结构如图3a和b所示。在该膜中,mATP纳米纤维在陶瓷支架上随机堆叠,可以观察到许多大尺寸的孔隙该膜的结构与报道的纳米纤维膜相同。磁场辅助滴涂法制备的膜的微观结构如图3c和d所示。可以发现,纳米纤维在mATP层内排列得非常有组织。由于纳米纤维的平行排列,形成了具有狭缝状结构的孔隙。两种膜的微观结构差异表明磁场对mATP纳米纤维的定向是有效的。定向后,无序膜的表面粗糙度从51.6 nm增加到有序膜的61.4 nm。有序膜和无序膜表面的mATP均约为3.4 gm2。 从横截面图上看,两种膜的厚度约为35 μm。根据上述数据,两种膜的mATP层密度可估计为970 kgm3。因此,两种膜的孔隙率约为55.5%,这一结果表明磁场对膜的孔隙率没有明显的改变。进行了表面剪切试验,以评估mATP与氧化铝衬底。如图3e和f所示,膜保持了原有的结构,mATP层与基底接触紧密,无裂纹,说明了膜在烧结后的结构稳定性。

本文通过mATP纳米纤维在磁场中的取向来构建狭缝孔结构。与光刻和反应离子蚀刻、静电纺丝技术、溶剂溶胀制备的那些狭缝孔膜进行比较。 有序膜和无序膜的孔径分布对比如图4a所示。无序膜的平均孔径约为0.45 μm,也观察到直径为0.62 μm的大孔。有序膜的平均孔径为0.28 μm,比无序膜的孔径小。同时,有序膜的孔径分布也比无序膜窄。这一结果表明,mATP纳米纤维的有序积累可以形成更均匀的孔隙结构,减少缺陷,这与图4微观结构图像得出的结论一致。

为了评估mATP纳米纤维在膜中的分布对水在膜中的流动过程的影响,进行了水动力学模拟。水在有序和无序膜结构横截面上的速度分布分别如图4c和图d所示。在有序膜中,水可以以较低的扭曲度快速通过尺寸均匀的通道。在无序膜中,由于存在不同大小的通道,水的流速变化很大。无序膜中通道的扭曲度明显大于有序膜,不利于水的传递。

图3 无序膜的微观结构:(a)表面,(b)截面;有序膜的微观结构:(c)表面,(d)截面。(e)无序膜和(f)有序膜的数码照片和横截面微结构。

 

图4  (a)孔径分布,(b)纯水通量和膜渗透率随跨膜压力的变化;(c)有序膜和(d)无序膜中水的流场模拟。白色表示膜中纳米纤维的横截面。

 

3.结论:

在一定的情况下,开发了一种磁场辅助滴涂工艺致力于制备具有有序结构的mATP纳米纤维膜。通过锚定四氧化三铁磁性纳米粒子制备了mATP,通过共沉淀法将其沉积到表面ATP上。然后,通过将pH值调节至碱性条件得到mATP悬浮液。之后,将有序的mATP膜涂覆在氧化铝上与磁场耦合的衬底。mATP的方向纳米纤维可以通过磁力进行调节。与非有序膜相比,有序膜具有相似的孔隙率疏油性能,孔径更小更窄,孔径更直通道和更高的渗透率。在O/W乳液分离过程中油滴会在有序的表面形成松散的滤饼污垢而不是进入无序膜的内部孔隙。因此,有序膜比无序膜具有更好的防污性和易清洗性。这种方便的策略提供了制造纳米纤维膜的可能性提高了性能。在后一项研究中,需要做更多的工作来了解操作参数对膜性能的影响,如跨膜压力、横流速度,以及流场方向和纳米纤维排列之间的角度方向。

 

作者:Mao, HY (Mao, Hengyang); Xu, P (Xu, Peng); Zhou, SY (Zhou, Shouyong); Fan, ZR (Fan, Zhaoru); Xue, AL (Xue, Ailian); Li, MS (Li, Meisheng); Zhao, YJ (Zhao, Yijiang); Wang, AQ (Wang, Aiqin); Wu, ZT (Wu, Zhentao); Fan, YQ (Fan, Yiqun)

期刊名:JOURNAL OF MEMBRANE SCIENCE

影响因子:9.5

Doi:10.1016/j.memsci.2023.121811

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