南林黄超伯教授团队和北林雷建都教授合作：仿狗尾草结构气纺纤维膜在水净化中的多功能应用

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由于淡水资源的限制和溢油事故的频繁发生，以及工业和日常活动造成的石油污染，水污染已成为一大威胁。通常，含油废水是一种复杂的混合物，含有有机溶剂、不溶性油脂、染料废水、细菌和其他污染物。工业纤维膜无法有效处理含有大量可溶性染料和微生物等污染物的复杂含油废水系统。特别是染料和微生物吸附在膜表面造成的污染，会限制膜的渗透通量，缩短膜的使用寿命，甚至可能对水体造成二次污染。因此，有必要设计一种简单而经济的方法来构筑一种多功能水处理纤维膜。
为了解决上述问题，近日，南京林业大学黄超伯教授团队联合北京林业大学雷建都教授以气体纺丝构筑的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜为基底，通过原位合成聚苯胺（PANI）以及水热法生长纳米氧化锌（ZnO）开发了一种仿狗尾草结构的ZnO/PANI/PAN多功能纤维膜，实现了对“水包油（oil-in-water）”乳液的高通量分离（图1）。由于ZnO与PANI的电子协同作用，纤维膜具有良好的抗菌活性和可见光降解有机染料的能力。此外，ZnO/PANI/PAN纤维膜的微/纳米孔径也保证了其优异的乳液分离性能，包括超高无表面活性剂乳液渗透通量（~8597.40 L m^-2 h^-1）、超高表面活性剂稳定乳液渗透通量（~2253.50 L m^-2 h^-1）和优异的分离效率（99.9%）。该复合膜能够在各种恶劣环境下（pH 1-14）保持了稳定的亲水性和水下超疏油性（水下油接触角UOCA>150°）。
图1. 材料表面形貌以及纤维膜孔径分布
测量了纳米纤维膜在空气中的水接触角（WCAs）和水下的油接触角（UOCAs），研究了纳米纤维膜的表面润湿性（图2）。与原始PAN和PANI/PAN纤维膜相比，在表面生长针状ZnO的纳米纤维膜显示出更好的亲水性。为了进一步验证纤维膜的水下超疏油性，我们将油滴压至与制备的膜完全接触直到油滴变形，然后将油滴缓慢抬起（图2e）。重复3次后，膜表面没有油滴的痕迹，油滴保持原有形状，证明了纤维膜良好的拒油性和极低的粘附力。此外，不同种类油在纤维膜上的UOCA均在150°以上，相应的渗透压力均大于8 kPa，进一步证明了优异的水下拒油性能。
图2. ZnO/PANI/PAN复合纤维膜的表面润湿性研究
为了模拟复合膜在恶劣条件下的适用性，探索了经过不同物理和化学处理后膜的表面润湿性（图3）。ZnO/PANI/PAN复合膜在不同pH值（1-14）的溶液、不同有机溶剂和盐溶液中浸泡72小时后，表面形态没有改变，仍然显示出150°以上的超高UOCAs和0°的WCAs。证明复合纳米纤维膜具有良好的化学稳定性。同时，为了考察所制备的纤维膜的抗紫外线性能，将其置于50 W、10 cm高的紫外光灯下分别放置6 h、12 h和24 h。膜在紫外线照射下仍然保持稳定。
图3. 复合纤维膜的稳定性测试
以甲苯、正己烷、煤油、石油醚和亚麻籽油为模型，制备了无表面活性剂乳液（SFEs）和表面活性剂稳定乳液（SSEs），系统地评价了ZnO/PANI/PAN膜的油水分离性能。所制备的ZnO/PANI/PAN纤维膜表现出了超高无表面活性剂乳液渗透通量（~8597.40 L m^-2 h^-1）、超高表面活性剂稳定乳液渗透通量（~2253.50 L m^-2 h^-1）和优异的分离效率（99.9%）。经过分离后，滤液中的TOC含量均低于80 ppm。特别是石油醚水包油乳液，滤液的TOC值低于11 ppm。
图4. 复合纤维膜的乳液分离能力
综上所述，这项工作采用将气体纺丝、原位合成以及水热法相结合的策略，成功制备了仿狗尾草结构的多功能水处理纤维膜。相较于传统的多孔过滤膜材料，该纤维膜具有更为广泛的适用范围；该纤维膜不仅对于表面活性剂稳定的乳液拥有优异的分离效率以及分离通量，还具备了良好的可见光降解染料能力、抗菌活性以及生物安全性。这项研究成果表明，ZnO/PANI/PAN纤维膜在净化复杂成分含油废水方面具有良好的应用前景。
相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，南京林业大学硕士研究生陆涛为文章的第一作者，南京林业大学马文静副教授、黄超伯教授及北京林业大学雷建都教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05667

来源：X-MOL资讯

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