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南洋理工大学新加坡膜技术中心王蓉教授组Progress in polymer science 综述:静电纺丝纳米纤维在膜法水处理方面的应用

发布日期:2018-12-13 17:17:25 发布人:南洋理工大学王蓉教授研究团队 浏览次数:266

【引言】

保障足够且安全的水资源对人类的生产生活至关重要。据报道,全球超过80%的国家面临水资源短缺的困境;全球25%的人口没有足够的安全水源。而且,总人口的上涨以及全球经济的不断发展导致水资源紧缺的状况不断加剧。为了满足人类对于水的需求,新型高效水处理技术的研发受到了社会的广泛关注。传统的水处理方法通常通过物理沉淀、化学药剂、微生物处理等对污水中的污染物进行去除。相比于这些传统方法,膜法水处理由于其低能耗、易操作、占地面积小、出水水质好等优势获得了学术界及工业界的广泛关注。在膜法水处理过程中,核心部件是起到选择性分离作用的膜材料。市面上大部分膜材料是用过相转换方法制备。近年来,由静电纺丝技术制备的聚合物纳米纤维膜也越来越收到人们的关注。不同于传统相转换方法制备的膜材料,静电纺丝所制备的纳米纤维膜是由纳米尺寸的纤维材料重叠而成。因此,纳米纤维膜具有高比表面积、高孔隙率、高表面粗糙度、高定向性等特性。另外,相对其他制膜方法,静电纺丝的方法更易于将特定的功能性材料或官能团接枝在单根纳米纤维表面或者涂覆在纳米纤维膜基体的表面,在制备新型复合膜材料方面有卓越的发展前景。

【成果简介】

为了全面概述纳米纤维膜材料应用于膜法水处理方面的研究进展,南洋理工大学新加坡膜技术中心王蓉教授(通讯作者)及其课题组在progress in polymer science上发表了题为“Progress in electrospun polymeric nanofibrous membranes for water treatment: Fabrication, modification and applications”的综述文章,廖园博士(现为南开大学环境科学与工程学院副教授)为论文的第一作者。该综述论述并总结了聚合物纳米纤维膜的制备及改性方法,着重强调了多种纳米纤维膜及纳米纤维复合膜针对水处理应用的优势、挑战及改进方向,涵盖的膜法水处理过程包括压力驱动膜过程(微滤、超滤、纳滤)、渗透压驱动膜过程、膜生物反应器、膜蒸馏、油水分离膜、重金属去除及杀菌等。

【图文导读】

1、本综述首先论述了不同条件对于纳米纤维膜制备的影响,包括聚合物纺丝溶液的性质、纺丝条件、及环境条件。

图一、纳米纤维膜制备过程及主要影响因素。

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2、本综述总结了不同喷丝头设计对于所制备得到的纳米纤维膜的化学性质及物理形貌的影响。

图二、喷丝头设计及其对纳米纤维膜性能的影响

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3、本综述将纳米纤维膜的后处理分成了三大类,并分别对其改性方法、改性目的及其作用进行了详细阐述,其中包括单根纳米纤维内部改性、单根纳米纤维表面改性、纳米纤维膜表面涂敷。

图三、纳米纤维膜改性方法:

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A.(1)将纳米粒子嵌入纳米纤维中;(2)混合聚合物纳米纤维制备;(3)核壳结构纳米纤维制备;B. 单根纳米纤维表面改性;C. 纳米纤维膜表面涂敷。

4、本综述针对不同的膜过程中纳米纤维膜的研究现状及其存在问题进行了论述。

在微滤过程中,纳米纤维膜可有效去除微米级颗粒物并获得极高通量。但膜污染现象严重,颗粒物容易在纳米纤维膜表面或膜孔径内沉积,导致膜通量的大幅降低。在超滤及纳滤中,纳米纤维膜需通过界面聚合的方法在其表面上涂敷一层超薄的致密选择层。通过对选择皮层的控制可有效截留蛋白质、有机物、二价盐等。在超滤及纳滤过程中,纳米纤维膜的抗污染性能,以及高操作压力下纳米纤维膜的稳定性及机械强度有待于进一步加强。近些年,通过纳米纤维基体制备正渗透及压力延迟渗透膜也是一项研究热点,其主要的挑战在于如何在纳米纤维粗糙表面通过界面聚合方法制备表面聚酰胺层,及聚酰胺层在长期使用过程的稳定性、如何改善纳米纤维基体的机械强度,使其在高压应用下不失去原有的高孔隙率。另外,也有研究工作将纳米纤维膜用于膜生物反应器中,并研究了纳米纤维的亲疏水性以及纳米纤维尺寸对膜效率的影响。由于纳米纤维膜的高表面粗超度,由疏水材料制备的纳米纤维膜通常具有更高的表面接触角,因此更适用于膜蒸馏过程。并且,有大量研究通过调整纺丝溶液或者后处理方法制备超疏水纳米纤维复合膜,从而进一步提高膜材料在膜蒸馏过程中的稳定性。另外,该综述还讨论了改性纳米纤维膜对重金属的吸附回收及其杀菌作用。

【总结与展望】

本文总结了纳米纤维膜在膜法水处理方向的最新研究进展,包括纳米纤维膜制备的主要影响因素、纳米纤维膜的后处理改性方法以及纳米纤维膜在膜法水处理方面的应用及其存在的问题。虽然纳米纤维膜针对水处理过程的研发工作已经取得了令人瞩目的进展,但仍然具有广阔的进步空间。作者提出了静电纺丝纳米纤维膜仍需改善的几个方面:(1)超细纳米纤维的制备。静电纺丝所制备的纳米纤维尺寸通常在100纳米至1微米之间。而由这些尺寸的纳米纤维重叠覆盖而成的纳米纤维膜孔径通常在微滤范围内。为了进一步缩小膜孔径、提高纳米纤维膜的截留效果、有效支撑复合膜皮层,有必要研究如何通过静电纺丝得到直径低于100纳米的超细纤维。(2)增强复合膜皮层与纳米纤维膜基体的结合力。由于纳米纤维膜的高表面粗糙度及高表面孔隙率,纳米纤维基体与表面皮层的结合作用及其在长期使用过程中的稳定性还需进一步研究及优化。(3)纳米纤维膜的膜污染问题。同样由于纳米纤维膜的高表面粗糙度及高孔隙率,污染物容易停留在纳米纤维膜的表面及内部,难以清洗。如何通过选择基体材料、调整膜孔径、及有效的后处理方法减轻膜污染仍需更深入的系统研究。(4)静电纺丝可用于制备得到多种功能化纳米结构,例如中空纳米纤维、取向纳米纤维等。而如何在工业上大规模生产这些功能纳米纤维尚需从业人员的努力。


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