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哈工大邵路教授團隊 Sci. Adv.:用于超快油水分離的可生物降解靜電紡絲超親水納米纖維膜
2023-08-31  來源:高分子科技

  海上原油泄漏和工業(yè)含油廢液排放對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構成重大威脅,并嚴重破壞全球水-食物-能源鏈條。基于超親水膜的分離技術是實現(xiàn)油水分離的有效措施,且已廣泛應用于含油廢水的處理工藝。其分離原理主要依靠材料具有超親水性,水可以順利通過材料內(nèi)部的孔隙結構,在材料表面形成水化層,防止油通過。微孔和高比表面積所產(chǎn)生的毛細力可以產(chǎn)生破乳作用,有利于乳液與水分離。然而,現(xiàn)有的油水分離膜雖然能夠實現(xiàn)含油廢水的有效凈化,但其膜材料大多來源于化石資源,膜廢料常被掩埋或焚燒,產(chǎn)生二次污染,不利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。


  邵路教授團隊在上述背景下開展了一系列工作,提出一種可按需生物降解的超親水膜靜電紡絲策略,制備出環(huán)境友好的超親水聚乳酸納米纖維膜(H-PLA-AS),對含有表面活性劑的水包油乳液有著優(yōu)異的分離性能,為超快凈化含油水體提供新思路。相應成果發(fā)表在Science Advances上。其工作獲得國家自然科學基金(2190506722178076)、黑龍江省杰出青年科學基金(JQ2020B001)、黑龍江頭雁團隊(HITTY-20190033)和城市水資源與環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)(No.2022TS43)等項目的支持。具體介紹如下:


  通過構造聚乳酸和聚氧化乙烯水凝膠的交聯(lián)結構,并控制靜電紡絲參數(shù)并設計非對稱膜結構,得到了高滲透通量、高分離效率且可生物降解的超親水聚乳酸納米纖維膜。 


圖1 聚乳酸基納米纖維膜的循環(huán)、制備和生物降解過程


  聚氧化乙烯水凝膠的使用使膜表面與水分子之間形成的氫鍵數(shù)量增加了357.6 %,這將聚乳酸基疏水膜轉化為超親水膜,防止了膜污染并加速了乳化液通過膜的滲透。該研究中所提出的新策略為聚合物油水分離膜的制備提供新思路,具有廣闊的應用前景。 


圖2 聚乳酸基納米纖維膜的結構及鑄膜液黏度


圖3 聚乳酸基納米纖維膜的性質(zhì)


  在分離性能上,所制備的超疏水納米纖維膜對含有表面活性劑的水包正辛烷乳液有著優(yōu)異的分離性能。其中,H-PLA-AS膜對于水包正辛烷乳液分離的滲透通量為2.1×104 L?m-2?h-1?bar-1,分離效率高于99.6%,明顯優(yōu)于大多數(shù)現(xiàn)有的油水分離膜。并且,該膜在水溶液中能夠形成大量氫鍵,將蛋白酶K存在下的生物降解速率有效提高30%以上,推動了膜分離技術在應用中的高效化和綠色化發(fā)展。 


圖4 聚乳酸基納米纖維膜的分離性能


  該論文哈爾濱工業(yè)大學為唯一通訊單位。威海校區(qū)特聘教授程喜全為論文第一作者;程喜全教授、馬軍院士和邵路教授為論文共同通訊作者。威海校區(qū)本科生李童語、研究生焦陽相關研究工作。


  原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh8195

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