电纺及疏水改性制备CA/SiNPs-FAS超疏水复合膜及膜蒸馏脱盐研究

以1-甲基-2-吡咯烷酮/丙酮为混合溶剂,无纺布为支撑层,采用静电纺丝技术与溶胶-凝胶方法,制备了醋酸纤维素/二氧化硅复合纳米纤维膜,并将其浸渍于全氟烷基硅烷/正己烷分散液中进行疏水化改性。利用场发射扫描电子显微镜、红外光谱仪、孔径分析仪、接触角测量仪器等表征了改性前后复合膜表面形貌、官能团变化、孔径分布及润湿性等膜性能参数并将其应用于连续性直接接触式膜蒸馏盐浓缩过程。结果表明,静电纺丝复合膜呈三维空间网状结构,且利用正硅酸乙酯生成的纳米二氧化硅颗粒内陷于醋酸纤维素纤维内部形成微米-纳米梯级分布。经全氟烷基硅烷修饰后,红外特征峰明显,复合膜水接触角最高可达156°,且对质量分数为5%的十二烷基硫酸钠液滴也同时展示出优良的抗润湿性能(接触角125°)。以60℃、35 g·L~(-1)的NaCl溶液为进料液进行持续性直接接触式膜蒸馏脱盐实验,当渗透温度为20℃时,各复合膜盐截留率均能达到99.99%以上,其中,CA/SiNPsFAS膜通量可稳定在11.2 kg·(m~2·h)~(-1)。     

无纺布支撑PVDF纳米纤维疏水膜的制备及其性能研究

以N,N-二甲基甲酰胺和丙酮为混合溶剂,采用静电纺丝法制备了基于不同无纺布支撑的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维疏水膜,考察了不同无纺布支撑材料对膜结构与膜性能的影响;利用扫描电子显微镜、接触角测量及膜蒸馏脱盐实验等对纳米纤维膜的结构及性能进行了表征。结果表明,以不同无纺布为支撑材料的电纺纳米纤维膜具有良好的疏水性,接触角最高可高达149.5°;复合膜整体孔隙率最高为79.8%,纳米纤维分离功能层的孔隙率最高可达92.6%;纳米纤维膜平均孔径随着静电纺丝时间的延长而降低,膜平均孔径在1.25~2.02μm,尽管膜孔径分布情况各不相同,但复合膜的盐截留率均能达到99.99%以上。以质量浓度35 g/L的NaCl溶液为进料液进行直接接触式膜蒸馏脱盐实验,在疏水膜两侧温差为60℃条件下膜通量最高可达48.84 kg/(m~2·h)。     

膜蒸馏用超疏水PVDF纳米纤维膜的制备和性能研究

采用静电纺丝法制备聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜,并以此膜和和商品膜HVHP4700为基膜,通过在其表面先覆盖二氧化钛、再覆盖十二烷基三氯硅烷进行改性,得到超疏水表面。对改性后的超疏水纳米纤维膜进行了表征和性能评价、膜蒸馏实验。结果表明,在较小的纺丝液推注速度下,制备的纳米纤维膜具有较适宜的厚度、孔径、液体入口压力和孔隙率。改性后2种膜的接触角均大于150°,抗润湿性能显著提高。改性前后PVDF纳米纤维膜的产水通量均高于改性前后的HVHP4700膜,4种膜的产水电导率均低于5μS/cm,脱盐率高于99.99%。     

P(VDF-HFP)/SiNPs-PVDF双层疏水复合膜电纺制备及其应用

采用静电纺丝技术,以筛孔75μm涤纶网为支撑层,N,N-二甲基甲酰胺、丙酮为混合溶剂,制备偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))/疏水气相纳米SiO_2颗粒-聚偏氟乙烯(SiNPs-PVDF)双层疏水纳米纤维复合膜,考察了纺丝时间和SiNPs等对膜性能的影响,表征了膜特性,结果表明,复合膜红外特征峰明显;在双层膜总纺丝时间一定的条件下,随表层纺丝时间的延长,双层膜平均孔径均呈减小趋势,膜通量下降但抗润湿性能却得以提高;此外,添加SiNPs可进一步增强双层膜的抗润湿性,延长膜的可持续运行时间。以53℃、质量浓度35g/L的NaCl溶液为料液进行持续性直接接触式膜蒸馏脱盐实验,当渗透温度为20℃时,各复合膜盐截留率均能达到99.99%以上,P(VDF-HFP)/SiNPs-PVDF复合膜最长可持续运行90h。     

PVDF-HFP/SiNPs疏水复合膜电纺制备及其性能研究

以筛孔75μm涤纶网为基衬,N,N-二甲基甲酰胺、丙酮为混合溶剂(质量比8:2),采用静电纺丝法制备了PVDF-HFP/Si NPs疏水复合膜,考察了疏水气相纳米Si O2颗粒(Si NPs)对纳米纤维膜结构及性能的影响。结果表明,随着纺丝液中Si NPs含量的增加,其红外特征吸收峰将愈发明显;膜厚度上升,而孔隙率却随之降低;尽管加入Si NPs后,膜的平均孔径变大,但膜表面疏水性的提高则保障了复合膜在膜蒸馏过程中仍可保持优异的截留性能。以质量浓度35 g/L的Na Cl溶液为进料液进行直接接触式膜蒸馏脱盐实验,当进料温度和渗透温度分别为53℃和20℃时,各复合膜盐截留率均能达到99.99%以上,膜通量可达12.0 kg/(m2·h)。     

环氧树脂偶联纳米颗粒制备超疏水表面

利用激光加工在钛合金表面构建微米级粗糙结构,采用环氧树脂溶液和纳米二氧化硅分散液对该表面进行涂覆处理,对得到的微/纳分级粗糙表面进行全氟硅烷修饰,得到具有超疏水性的复合膜层,并采用扫描电子显微镜、三维形貌仪、接触角测量仪评价膜层的形貌结构和润湿性。结果表明,激光加工构建的微米级结构和纳米二氧化硅颗粒组成的微/纳二元粗糙结构对超疏水表面的构建具有重要作用;复合膜层表面的接触角随二氧化硅分散液溶度的提高呈现先增加后减小趋势,并最终逐渐稳定在150 °左右;在二氧化硅分散液溶度为12.0 g/L时,复合表面的接触角最大,可达159 (°)。     

基于全氟硅烷/烷基SiO2协同效应的PTFE中空纤维膜表面超疏水改性研究

在聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜表面构建超疏水结构,有利于突破其在膜蒸馏、膜吸收等疏水膜应用过程中膜润湿的技术瓶颈。以正硅酸乙酯(TEOS)和甲基三乙氧基硅烷(MTES)为前驱体,水解-缩合制备疏水性烷基Si O_2纳米粒子,通过浸涂的方式将烷基Si O_2纳米粒子沉积组装到PTFE中空纤维膜表面;进一步应用全氟癸基三乙氧基硅烷对烷基Si O_2纳米粒子进行低表面能修饰,构建膜表面超疏水结构,制备具有超疏水性能的PTFE中空纤维膜。考察了烷基Si O_2纳米粒子制备时间、前驱体MTES和TEOS的体积比R、不同质量分数的全氟癸基三乙氧基硅烷溶液对PTFE中空纤维膜表面疏水性能和微孔结构的影响。结果表明,当烷基Si O_2纳米粒子制备时长为48 h,前驱体体积比R为4时,膜表面静态水接触角(WCA)出现最大值;当使用3%的全氟癸基三乙氧基硅烷溶液为表面修饰剂时,膜表面接触角最大可达154°,疏水效果达到最佳。     

高通量rGO微球@PVDF纳米纤维复合膜的制备及其油水分离性能研究

采用静电纺丝法制备了聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜,并采用共混纺丝法和真空抽滤两种方式将还原氧化石墨烯微球(rGO)负载于其上,获得高通量rGO微球@PVDF纳米纤维复合油水分离膜。通过调整静电纺丝过程参数(如推注速率和电场强度等)和纺丝液配方,对PVDF纳米纤维膜结构进行优化,并采用不同的rGO微球负载量、负载方式、黏结剂含量来提高纳米纤维膜的表面粗糙度和疏水性。利用扫描电子显微镜和接触角测试对纤维膜的表面形貌和亲疏水性进行表征,并通过二氯甲烷-水体系进行油水分离实验,测试了不同配方下杂化膜的重力驱动油水分离性能。结果表明,当静电纺丝溶液中PVDF含量为14%时,以1 mL·h^-1的推注速率,在15 kV下制得的PVDF纳米纤维膜,并将1%PVDF溶液、3 mg rGO微球(与黏结剂中有效成分PVDF质量比为3∶1)和溶剂组成的铸膜液抽滤在膜表面,复合膜表面水接触角为130.9°,其油水分离过程中的有机溶剂透过通量可达5 641.3 L·h^-1·m^-2,水相的截留率为99.28%。     

PVDF/PEI-EDA亲疏水复合膜的制备及其抗污染性能

为解决疏水性污染物对膜的污染问题,利用静电纺丝的方法制备了具有抗污染性能的聚偏氟乙烯/聚醚酰亚胺-乙二胺(PVDF/PEI-EDA)亲疏水复合膜,对其进行了表征;以含疏水性污染物(油污)的Na Cl水溶液作为进料溶液进行了直接接触式膜蒸馏脱盐和抗污染实验,并与商业的PVDF疏水膜进行了对比。结果表明,复合膜厚度为340μm,平均孔径0.677μm,孔隙率72.4%;膜表面呈纳米纤维状,具有明显的酰胺基团,膜表面在空气中水接触角为5.6°,在水相中的油接触角为143°。复合膜蒸馏运行稳定,脱盐、抗污染膜蒸馏平均通量分别为5.5、4 kg/(m~2·h),可以有效的防止疏水性污染物(油污)的污染。而商业的PVDF疏水膜膜蒸馏过程不能维持稳定运行。     

改性废弃口罩熔喷布疏水膜的制备及油水分离性能

通过原位化学沉积在废弃口罩熔喷布表面负载均匀分散的二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒，进而接枝十八烷基三氯硅烷(OTS)，得到具有多级粗糙结构的疏水膜。改性膜的水接触角达到142.5°，重力作用下四氯化碳通量达到12224L·m^-2·h^-1，油水分离效率大于98%。结果表明改性膜能够在酸性、碱性、盐溶液以及超声等条件下保持性能稳定，具有很好的应用前景,为废弃口罩的绿色、低碳、资源化利用提供了新思路。     

聚乙烯醇-SiO2/聚酯无纺布膜的制备及性能研究

采用聚酯无纺布(PET)作为支撑层,利用相转换法在PET表面制备聚乙烯醇(PVA)或PVA-SiO₂活性层,得到了PVA/PET复合膜与PVA-SiO₂/PET复合膜。考察了2种复合膜的过滤性能和污染行为。结果表明,PVA中加入质量分数4%纳米SiO₂颗粒,复合膜的接触角降至33.1o,亲水性显著增强,而膜孔径减小至3.1 nm,降低了85.5%,PVA/PET超滤膜转变为PVA-SiO₂/PET纳滤膜(0.6 L/(m²·h))。PVA-SiO₂/PET复合纳滤膜对海藻酸钠的抗污染性能较强。纳米SiO₂对复合膜的污染机制无明显影响,模拟污染物对复合膜的污染机制以标准堵塞为主。     

疏水纤维素/SiO2复合气凝胶的制备和表征

以微晶纤维素和正硅酸乙酯(TEOS)为原料,通过溶胶-凝胶法制备了4种再生纤维素/SiO₂复合气凝胶,并利用十八烷基三氯硅烷(OTS)对复合气凝胶进行疏水改性,利用X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)等对4种再生纤维素/SiO₂复合气凝胶及其疏水改性产物进行表征分析。结果表明:4种再生纤维素/SiO₂复合气凝胶均为白色固体,密度范围43.6~50.7 mg/cm³;XRD、EDS和FT-IR分析表明4种再生纤维素/SiO₂复合气凝胶中均含有硅元素,疏水纤维素/SiO₂复合气凝胶中均含有硅、氯元素;SEM分析表明4种再生纤维素/SiO₂复合气凝胶及其改性产物均呈现三维网状结构,改性产物的三维网状结构的孔隙变小。疏水纤维素/SiO₂复合气凝胶的接触角测试结果表明,4种样品接触角均大于90°,达到疏水状态,且随着TEOS用量的增加,接触角逐渐增大(最大接触角144.5°),疏水性能提高。     

硼掺杂二氧化硅杂化膜的制备及渗透汽化脱盐性能

以1,2-双（三乙氧基硅基）乙烷（BTESE）和硼酸为前体,通过溶胶-凝胶法制备了硼掺杂的二氧化硅（B-BTESE-SiO₂）杂化膜。采用FTIR、XRD、XPS、TEM、SEM等系列表征手段对合成溶胶及膜的结构和形貌进行了分析,结果表明：硼元素成功掺杂进入SiO₂骨架中,形成了水热稳定的B—O—Si键,能明显影响膜表面的微观结构、亲疏水性、膜孔径大小从而提高膜的脱盐性能和稳定性。当溶胶中的H₃BO₃/BTESE比为0.25时所优化制备SiO₂膜的亲水性最强,脱盐过程中活化能最低,传质阻力最小,膜孔径约为0.61 nm,故表现出最佳的脱盐性能。在60℃以3.5%（质量） NaCl溶液为进料液时,该膜的水通量高达16.5 kg·m^-2·h^-1,盐截留率近乎100%,并且表现出优异的长时间稳定性（>168 h）和高浓度盐水溶液[4.2%~15.0%（质量） NaCl]脱盐性能,在海水淡化和高盐废水处理等领域具有潜在的应用前景。     

SiO2气凝胶提高岩棉和玻璃棉性能的实验研究

以无水乙醇为溶剂,SiO₂气凝胶为溶质,制取SiO₂气凝胶改性溶液。采用浸润及常压干燥的方法制备岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板,研究不同质量分数的SiO₂气凝胶对复合板的短期吸水量、热导率及抗压强度的影响,并分析SiO₂气凝胶质量分数为8%时制备的岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的改性效果,进而采用扫描电镜对复合板的微观形貌进行了表征。结果表明,SiO₂气凝胶均匀附着于无机纤维上,形成了较为稳定的复合体系;随着SiO₂气凝胶质量分数的不断增加,岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的短期吸水量和热导率都逐渐减小,其抗压强度有一定的提升。比较改性后的岩棉和玻璃棉,后者的防水性能和抗压强度改善更明显。当SiO₂气凝胶质量分数达到8%时,岩棉/SiO₂气凝胶复合板和玻璃棉/SiO₂气凝胶复合板的短期吸水量较改性前分别下降了35.0%和36.2%,热导率分别下降了26.7%和18.3%,抗压强度分别提升了6.5%和102.9%。     

纳米粒子/氧化石墨烯改性复合膜制备及其分离性能研究

采用真空抽滤-压力喷涂的方法，以聚酰胺纳滤膜为基膜，制备了氧化石墨烯和二氧化钛纳米粒子质量比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的复合膜GOT1、GOT2、GOT3和GOT4以及氧化石墨烯和二氧化硅纳米粒子质量比为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的复合膜GOS1、GOS2、GOS3和GOS4。通过SEM、EDS、XPS和GIWAXS方法对GOT复合膜和GOS复合膜进行了分析表征，结果表明，氧化石墨烯和纳米粒子均匀负载在聚酰胺纳滤膜表面。研究了复合膜的性能，并推测了复合膜的净水机理。其中GOT复合膜在0.75 MPa下水通量可达50 L·m^-2·h^-1,相较于原始基膜提高了25%,显示出了最佳的水通量性能，并且在保持较高通量的同时，对盐溶液和重金属离子的截留率仍能维持在90%左右。真空抽滤-压力喷涂的方法为氧化石墨烯复合膜的制备提供一种新的工艺思路，为废水处理提供了一种更高净化效率的复合膜。     

超疏水聚偏氟乙烯复合微孔膜的制备及性能

提出了一种超疏水聚偏氟乙烯（PVDF）复合微孔膜的制备方法。以相转化法制备的PVDF膜为基膜,通过恒压过滤将多壁碳纳米管（MWCNTs）沉积到PVDF基膜表面,再经聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液修饰,可制得接触角达162°、滚动角约10°的PVDF复合微孔膜。用原子力显微镜和扫描电镜对膜表面进行结构分析,并测试了膜的接触角、气通量和机械强度等性能,考察了MWCNTs及PDMS浓度对膜结构和性能的影响。研究表明,CNTs在具有微米级粗糙度的基膜上强化了纳米结构,提高了膜的粗糙度,PDMS降低了膜的表面能,二者协同作用使复合膜的接触角大幅提高,滚动角显著下降。与高度疏水的PVDF基膜相比,PVDF复合膜的疏水性大幅提高,断裂伸长率加倍,在模拟海水真空膜蒸馏过程中,保持了较高的传质通量和截留率,具有更好的操作稳定性和抗污染性能。     

超亲水/水下超疏油膜的制备及油水分离性能

工业生产和频繁的溢油事故产生大量的含油废水,其高效分离依然面临全球性的挑战。具有仿生浸润特性的膜可以选择性透过水或油,分离效率高且操作简单而广泛应用于油水分离。本文通过一步浸渍法将TiO₂纳米颗粒和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）原位固化到不锈钢网上制备了具有微/纳米层级结构的超亲水/水下超疏油油水分离膜。重点考察了TiO₂/PVP涂覆液浓度（质量分数1%、3%、5%、7%、9%）对膜的浸润特性和油水分离性能的影响。实验结果表明,不同TiO₂/PVP浓度改性的膜具有超亲水/水下超疏油特性,水的接触角均为0°,在水中油的接触角达160°,油水分离效率大于99.5%。膜通量随浓度的增大先减小后增加,当质量分数为3%时膜通量最大为8422.5L/（m²·h）。经过30次连续油水分离后,其分离效率仍大于99.5%,表明TiO₂/PVP-SS （stainless steel）膜有良好的耐久性和稳定性。因此,TiO₂/PVP-SS仿生特殊浸润膜材料在油水分离领域具有经济、高效、环境友好的潜在优势。     

Preparation of superhydrophobic nanocomposite fiber membranes by electrospinning poly(vinylidene fluoride)/silane coupling agent modified SiO2 nanoparticles

Superhydrophobic nanocomposite fiber membranes were prepared by blend electrospinning of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) mixed with silane coupling agent modified SiO₂ nanoparticles. The nanoparticles were prepared by the sol–gel method, and the average particle diameter was measured by dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy (TEM). The effects of the type of silane coupling agent, such as n‐octyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane (A‐171), and vinyltriethoxysilane (A‐151), and the mass ratio of the modified silica particles and PVDF on the surface wettability of the composite fiber membrane were investigated. The results indicated that the incorporation of silane coupling agent modified silica particles into the PVDF membrane increased the roughness of the surface and formed micro/nano dual‐scale structure compared to the pristine PVDF membrane, which was responsible for the superhydrophobicity and self‐cleaning property of the nanocomposite fiber membranes. The value of water contact angle (CA) increased with the increase of the content of modified SiO₂ nanoparticles in the nanocomposite membrane, ranging from 149.8° to 160.1° as the mass ratio of modified 170 nm SiO₂ with PVDF matrix increased from 0.5:1 to 5:1, indicating the membrane possesses a superhydrophobic surface. © 2016 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2017 , 134, 44501.     

High performance forward osmosis cellulose acetate (CA) membrane modified by polyvinyl alcohol and polydopamine

Cellulose acetate (CA) is a low cost and readily available material widely used in forward osmosis (FO) membranes. However, the performance of pure CA membranes is not good enough in salt separation and the traditional modification methods are generally multistep and difficult to control. In this paper, we reported high performance cellulose acetate (CA) composite forward osmosis (FO) membranes modified with polyvinyl alcohol (PVA) and polydopamine (PDA). PVA was first cross-linked onto the surface of CA membranes, and then PDA was coated with a rapid deposition method. The membranes were characterized with respect to membrane chemistry (FTIR and XPS), surface properties comprising wettability (by water contact angle), and osmosis performance. The modified membrane coated by PVA and PDA shown better hydrophilicity and exhibited 16.72 LMH osmotic water flux and 0.14 mMH reverse solute flux with DI water as feed solution and 2.0 M NaCl as draw solution and active layer facing the feed solution. This simple and highly effective modification method makes it as an excellent candidate for further exploration for FO.     

疏水SiO2填充PDMS膜分离水中乙酸正丁酯的性能

以聚偏氟乙烯（PVDF）为支撑层,选用疏水性纳米SiO₂粉体作为改性剂,制备出聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合膜材料,并用于乙酸正丁酯/水溶液的渗透汽化分离。采用SEM、FTIR、XRD、拉伸实验、接触角及正电子湮没寿命谱测定等对膜材料物理化学性能进行了表征,考察了膜材料的溶胀行为及渗透汽化性能。结果表明,SiO₂在PDMS膜中分散均匀,且没有发生化学作用,并提高了膜材料的机械强度和疏水性。随着SiO₂添加量增加,膜在乙酸正丁酯溶液中的溶胀度先升后降,渗透通量呈下降趋势,而分离因子先增大后减小。当SiO₂添加量为4%（质量）时,随进料浓度的增加,渗透通量增大,分离因子先增大后减小;随着温度升高,渗透通量增大,分离因子减小;渗透通量和分离因子最大值分别为240 g·m^-2·h^-1和542。