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    東華大學俞建勇院士、丁彬教授團隊在Voronoi網狀高通量低耗能水凈化材料方面取得新進展
    2020-07-11  來源:高分子科技

      致病微生物對水體的污染已成為危害全球公眾健康的重要問題。相比于傳統的化學殺菌和熱滅菌,過濾除菌因無二次污染和操作溫度低等優勢成為一種安全有效的水凈化技術。然而傳統微濾膜通常因材料疏水、孔隙率低、孔道連通性差以及厚度大等問題,導致其即使在較高的操作壓力下滲透通量仍難以大幅提升。目前,眾多研究人員以高孔隙且孔道連通的靜電紡納米纖維膜為基材,通過在其表面構筑超親水的纖維素納米纖維功能層以期制備高性能的微濾膜,但由相互獨立的纖維素納米纖維堆疊所形成的功能層結構不連續導致其穩定性較差,限制了其在水凈化領域的實際應用。因此,開發具有連續穩定功能層的微濾膜以實現其在高通量低耗能水凈化領域的特效應用是當前面臨的一大挑戰。


      面對這一挑戰,東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士和丁彬教授帶領的納米纖維研究團隊將非溶劑誘導相分離技術與靜電紡絲技術相結合制備了具有連續穩定纖維素Voronoi網結構的濾膜材料。通過研究凝固浴溫度對纖維素溶液相分離的影響,在靜電紡納米纖維膜表面構筑了Voronoi網結構;隨后通過調控纖維素溶液濃度,實現了Voronoi網覆蓋率的大幅提升,最終獲得了具有小孔徑(0.23μm)、高孔隙(90.7%)和超薄厚度(~600nm)的Voronoi網狀微濾膜。



    圖1.(a)纖維素Voronoi網狀微濾膜的制備;(b)和(c)纖維素Voronoi網狀微濾膜的表面和截面SEM圖片;(d)水凈化示意圖。


      所制備的纖維素Voronoi網狀微濾膜具有優異的水傳輸能力,可在≤20kPa的低操作壓力下實現對~0.3μm粒徑TiO2顆粒的高通量(最大通量8834L m-2 h-1)、高效率(>99.80%)過濾,性能遠優于現有文獻報道的微濾膜材料。同時由于Voronoi網可輕易捕獲大腸桿菌并實現水的快速傳輸,纖維素Voronoi網狀微濾膜在和市售Millipore微濾膜具有相似過濾效率的情況下,滲透通量(1444L m-2 h-1)是后者的兩倍之多。



    圖2.纖維素Voronoi網狀微濾膜(a)水滲透3D模擬、(b)在不同驅動壓力下過濾性能、(c)與已報道微濾膜性能對比、(d)攔截大腸桿菌SEM圖片、(e)與商品膜過濾性能對比。


      以上相關研究成果以“Ultrathin Cellulose Voronoi-Nanonet Membranes Enable High-Flux and Energy-Saving Water Purification”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上,文章DOI:10.1021/acsami.0c08504。東華大學紡織學院博士生唐寧為第一作者,丁彬教授斯陽研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、上海市科委、中央高校基礎研究項目的大力資助。


      論文鏈接:https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c08504


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    (責任編輯:xu)
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