东华大学俞建勇院士、丁彬教授团队在Voronoi网状高通量低耗能水净化材料方面取得新进展

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致病微生物对水体的污染已成为危害全球公众健康的重要问题。相比于传统的化学杀菌和热灭菌，过滤除菌因无二次污染和操作温度低等优势成为一种安全有效的水净化技术。然而传统微滤膜通常因材料疏水、孔隙率低、孔道连通性差以及厚度大等问题，导致其即使在较高的操作压力下渗透通量仍难以大幅提升。目前，众多研究人员以高孔隙且孔道连通的静电纺纳米纤维膜为基材，通过在其表面构筑超亲水的纤维素纳米纤维功能层以期制备高性能的微滤膜，但由相互独立的纤维素纳米纤维堆叠所形成的功能层结构不连续导致其稳定性较差，限制了其在水净化领域的实际应用。因此，开发具有连续稳定功能层的微滤膜以实现其在高通量低耗能水净化领域的特效应用是当前面临的一大挑战。

面对这一挑战，东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士和丁彬教授带领的纳米纤维研究团队将非溶剂诱导相分离技术与静电纺丝技术相结合制备了具有连续稳定纤维素Voronoi网结构的滤膜材料。通过研究凝固浴温度对纤维素溶液相分离的影响，在静电纺纳米纤维膜表面构筑了Voronoi网结构；随后通过调控纤维素溶液浓度，实现了Voronoi网覆盖率的大幅提升，最终获得了具有小孔径（0.23μm）、高孔隙（90.7%）和超薄厚度（~600nm）的Voronoi网状微滤膜。

图1.（a）纤维素Voronoi网状微滤膜的制备；（b）和（c）纤维素Voronoi网状微滤膜的表面和截面SEM图片；（d）水净化示意图。

所制备的纤维素Voronoi网状微滤膜具有优异的水传输能力，可在≤20kPa的低操作压力下实现对~0.3μm粒径TiO₂颗粒的高通量（最大通量8834L m^-2 h^-1）、高效率（＞99.80%）过滤，性能远优于现有文献报道的微滤膜材料。同时由于Voronoi网可轻易捕获大肠杆菌并实现水的快速传输，纤维素Voronoi网状微滤膜在和市售Millipore微滤膜具有相似过滤效率的情况下，渗透通量（1444L m^-2 h^-1）是后者的两倍之多。

图2.纤维素Voronoi网状微滤膜（a）水渗透3D模拟、（b）在不同驱动压力下过滤性能、（c）与已报道微滤膜性能对比、（d）拦截大肠杆菌SEM图片、（e）与商品膜过滤性能对比。

以上相关研究成果以“Ultrathin Cellulose Voronoi-Nanonet Membranes Enable High-Flux and Energy-Saving Water Purification”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上，文章DOI：10.1021/acsami.0c08504。东华大学纺织学院博士生唐宁为第一作者，丁彬教授和斯阳研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、中央高校基础研究项目的大力资助。

论文链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c08504

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