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水净化与处理的新利器:电纺纳米纤维膜

2018-7-8 10:29:40点击:

来源:易丝帮


水净化需要几个连续的步骤来使收集的可饮用水。这些步骤包括去除颗粒物质,病原体和选定的离子。随着污染物在地上和地下污染的不断增加,对水处理技术进步的需求变得更加迫切。研究人员正在研究静电纺丝膜在水净化和处理的不同阶段的应用。从颗粒过滤开始,直至去除选择性污染物如砷和其他重金属。

粒子过滤


电纺纤维膜通常具有几微米的孔径,这使得它适合用作尺寸超过几微米的颗粒的过滤器[Gopal等2006,Gopal等2007]。Gopal等人(2007年)采用具有泡沫点4.6μm的热处理聚砜(PSU)电纺非织造膜对微粒排斥进行了综合研究,结果表明7、8和10μm的颗粒大小的分离因子可达99%。使用热处理的聚偏二氟乙烯(PVDF)膜[Gopal等,2006],对5μm尺寸颗粒进行测试,发现其具有大于90%的分离因子的全通量回收率。然而,对于小于3μm的颗粒尺寸,流量恢复是不完整的。对膜横截面的测试表明,对于较大的粒子(大于5μm),膜充当尺寸排阻过滤器或筛网过滤器,并且颗粒被捕集在膜的表面上[Gopal等2007]。颗粒和纤维表面之间的低粘附力意味着可以通过在膜组件中搅拌来回收通量[Gopal等2006,Gopal等2007]。


有害化合物的去除


在许多发展中国家,快速工业化和采矿作业导致水源受到重金属污染。这种重金属离子由于离子太小而不能通过微滤过滤出去。除了尺寸排阻外,还开发了基于表面吸附的电纺膜。电纺纳米纤维的高表面积使得更多的官能团可以暴露在其表面上,由重叠的纳米纤维形成的开放且互连的孔允许进料溶液通过它。


砷(As)是一种已知的致癌剂,越来越多地污染地下水。Min等人(2017年)制造了铁功能化壳聚糖电纺纳米纤维(ICS-ENF),目的是从污染水中除去微量砷。发现ICS-ENF在酸性至中性条件下(pH 4.3至7.3)能够去除90%以上的As,其优于单纯壳聚糖(CS)电纺膜,其在中性pH下几乎不吸附As。当pH增加到7.3时,即使对于ICS-ENF膜也没有吸附As。纳米纤维膜的吸附取决于其表面上的正电荷,其与带负电的As相互作用。在高pH值下,电纺膜的表面电荷可能变为负值,这将排斥导致其吸附容量下降的As离子。


除盐


在那些可用淡水有限的国家,替代水源可能来自海洋或回收废水。这些要求技术能够从水源中分离出盐和离子。尽管常见的工业净化技术如反渗透,以及其他新兴技术如膜蒸馏和超/纳米过滤来降低成本已经过测试。



Fig 1. Surface images of (a) PIP-based membranes which were prepared TEA+NaOH and (b) MPD-based membranes which were prepared TEA+Synferol AH. [Yalcinkaya et al. Journal of Nanomaterials (2016) 2016:2694373].


图1(a)制备TEA + NaOH的PIP膜和(b)制备TEA + Synferol AH的MPD膜的表面图像。 [Yalcinkaya等. Journal of Nanomaterials(2016)2016:2694373]。


对于超滤(0.1至0.01μm)和纳滤(0.01至0.001μm),电纺膜的孔径太大而无法使用而没有任何修改。相反,电纺膜现在用作支撑基底以将分离层作为薄膜复合物。复合膜是否用于超滤或纳滤取决于涂层分离层。电纺膜的高孔隙率和小纤维直径使其成为优异的支撑基材,因为它提供了更大的有效分离区域(分离表面无潜在阻塞)。与其他传统膜相比,使用电纺膜的纳米和超滤膜理论上会使其具有更高的通量。Yalcinkaya等人(2016年)在盐水净化用电纺薄膜复合材料的示范中,将电纺聚酰胺6纳米纤维用于聚丙烯/聚乙烯双组分纺粘非织造织物作为支撑基材,用作哌嗪或间苯二胺(MPD)的支撑基材,其作为分离层。对于MPD-三乙胺(TEA)-Synferol AH(Sy-AH)的薄膜纳米纤维复合物(TFNC)记录平均排斥率为97.4%CaCl 2和96.3%NaCl。TFNC的纯水通量为22.5L/m2/h,渗透通量为12.5L/m2/h。使用海水,TFNC膜能够在循环3轮后保留超过98%的盐离子。


膜蒸馏通过使膜分离咸水和纯水(渗透物)来工作。有几个参数会影响膜蒸馏的速度和效率。首先,在进料侧和渗透物之间必须存在温度梯度。传统上,分离层相对较厚,使得从进料到渗透的热量较少,从而保持最佳的温度梯度。孔隙率,孔径和弯曲度也影响水蒸汽通过膜并形成渗透物的容易程度。


对于用于膜蒸馏的电纺膜,它必须能够保持进料和渗透物之间的分离。因此,超疏水膜是优选的,因为它能够更好地保持水分离。电纺纳米纤维膜和市售膜的比较测试表明,电纺PVDF膜的液体进入压力(LEP)小于0.64巴,而与PTFE膜相比为9巴[Jiricek等2016]。与PTFE膜和其他商业膜相比,静电纺PVDF膜在更高的横流速度(80mm/s)下显示更大的通量。在含水量低至50g/kg时,较薄的膜具有较高的渗透性,这是电纺膜的优势。然而,在较高的盐度下,纳米纤维膜的通量快速下降,而PTFE膜几乎没有变化[Jiricek等2016]。为了提高膜的疏水性并保持较长时间的水分离,Liao等(2013)通过化学镀银然后涂覆1-十二烷硫醇来改性具有银纳米粒子涂层的PVDF纳米纤维的表面,得到的膜表现出超疏水特性,接触角为153°,水滑角小于10°。未经改性的PVDF纳米纤维膜的膜通量在32L/m2/h下相对不变,持续8小时的测试持续时间。 Zhou等人(2014)用超疏水材料聚四氟乙烯(PTFE)制成纳米纤维膜,而不是用超疏水处理表面处理纳米纤维。由于聚四氟乙烯耐大多数溶剂,他们使用聚四氟乙烯(PTFE)细颗粒悬浮在水中与水溶性聚乙烯醇(PVA)混合。将具有PTFE颗粒的PVA静电纺丝高达380℃下烧结30分钟来去除PVA组分。在此温度下,PTFE颗粒熔化并熔合在一起形成PTFE的互连纳米纤维网络,得到的膜显示出156.7°的水接触角。当真空膜蒸馏测试持续10小时时,记录15.8kg/m2h的纯水通量和超过98%的稳定脱盐率。



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