来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2023/5/6 15:30:28
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FCSE  前沿研究:雾化辅助非溶剂诱导相分离法制备具有微纳复合结构的双连续多孔膜

论文标题:Bicontinuous porous membranes with micro-nano composite structure using a facile atomization-assisted nonsolvent induced phase separation method(雾化辅助非溶剂诱导相分离法制备具有微纳复合结构的双连续多孔膜)

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Jing Wang , Guoyuan Pan , Yu Li, Yang Zhang , Hongwei Shi, Xuanbo Liu , Hao Yu, Muhua Zhao, Yiqun Liu, Changjiang Wu

发表时间:02 Aug 2022

DOI:10.1007/s11705-022-2143-5

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背景及意义

含油废水广泛存在于许多工业生产过程中,膜分离技术广泛应用在油水分离领域。微纳复合结构能赋予分离膜特殊的表面性能,但常存在制备工艺效率低、结构稳定性差的问题。本研究开发了一种简单高效的雾化辅助非溶剂诱导相分离方法(AA-NIPS),获得了具有稳固微纳复合结构的双连续多孔微滤膜,该膜可对无表面活性剂和表面活性剂稳定的水包油乳液高效分离,实现了该方法从实验室制备到连续生产的放大。该膜的优异性能和易于放大的制备工艺表明其具有巨大的实际应用潜力。

内容及主要结论

本研究以丝瓜络的高贯通的三维纤维网络结构为灵感,基于商业通用的PAN和PVP两种聚合物共混采用AA-NIPS工艺制备了具有微纳复合结构的超亲水/水下超疏油的双连续多孔结构膜。重点考察了雾化预处理时间对PAN/PVP膜的膜孔结构及性能的影响。AA-NIPS制备条件温和,操作步骤简单,安全性好,生产效率高。工艺参数合适时,采用AA-NIPS方法制备的PAN/PVP膜可在整个膜骨架上形成纳米级凸起结构,这为获得微纳米复合结构提供了一种新的制备途径。本研究对所形成的微纳结构的形成机理进行了分析,并对所制备的微纳复合结构膜的油水乳液分离性能进行了分析。主要结论如下:

(1)通过采用AA-NIPS方法制备了具有微纳米复合结构的空气中超亲水(图1)和水下超疏油PAN/PVP双连续多孔结构膜。

图1 AA-NIPS法制备双连续孔结构膜的示意图

(2)雾化预处理时间的增加,纳米凸起结构会逐渐增长,随之膜从水下的的疏油变为超疏油。

(3)分析得到纳米凸起结构是两种聚合物的微相分离与高分子链缠结共同作用的结果(图2)。

图2(a) AA-NIPS法制备的纯PAN膜的SEM图;(b) VIPS+NIPS法得到的膜的SEM图像;(c) 不同雾化预处理时间条件下的PAN/PVP膜的SEM图;(d)旋涂法制备PAN/PVP薄膜的AFM图;(e) PAN/PVP-30s膜的AFM图

(4)PAN/PVP-30s膜可有效分离不含乳化剂及乳化剂稳定的水包油乳液,同时具有良好的结构稳定性和循环稳定性(图3),以及膜的水下超疏油性、抗油粘附性(图4)。

图3 PAN/PVP-30s膜的油水分离及循环使用性能

图4 PAN/PVP-30s膜的特殊浸润性及耐油污染性

亮点

开发了一种新的膜制备方法——雾化辅助非溶剂诱导相分离法(AA-NIPS)。采用该方法利用商用聚合物制备了微纳复合结构的分离膜。膜具有优异的油水分离性能。膜具有水下超疏油性、抗油粘附性、结构稳定性、可循环使用的油水分离性能。实现了AA-NIPS法制膜的连续化生产。

相关成果以“Bicontinuous porous membranes with micro-nano composite structure using a facile atomization-assisted nonsolvent induced phase separation method”为题,发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering 上(DOI: 10.1007/s11705-022-2143-5)。

作者及团队介绍

王静(第一作者):北京化工大学与北京化工研究院联合培养博士研究生,研究方向为聚合物膜分离。

刘轶群(通讯作者):北京化工研究院环境保护研究所所长、教授、博士生导师。主要研究领域:聚合物纳米复合材料及聚合物分离膜领域。近十年来主要从事聚合物通用纳滤膜、特种纳滤膜、复合反渗透膜、超滤膜、微滤膜以及二氧化碳分离膜等领域的研究。

原文链接: https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-022-2143-5

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