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东华大学夏于旻课题组《Chem. Eng. J》:基于竹仿生,由POM纤维制备的可回收、可变形的微纤维油水分离材料
2023-01-20  来源:高分子科技

  随着现代工业的快速发展,化工厂排放的含油废水以及漏油事故造成的油污染事件将逐渐增多,导致严重的水污染,这一现象会使生态系统恶化,使人们赖以生存的淡水资源受到巨大威胁。因此基于其对生态系统和人类健康的重要性,在全球范围内,油水混合物的分离都已成为一项重大挑战。近期,由于聚合物具有多样性和可加工性的优势,大量研究人员使用聚合物来制造油水分离膜。制备油水分离聚合物膜需要两个前提,一是材料对油水具有特殊浸润性,二是具有3D多孔结构。


  近期,东华大学材料科学与工程学院夏于旻副教授课题组,通过仿生竹得到竹纤维素再制备纤维素浆粕造纸的过程,将聚甲醛(POM)拉伸纤维通过机械拆解法制备得到POM微纤维(PMF),再得到POM微纤维膜(PMFM) 


1.竹子造纸工艺a1)竹子;b1)竹内部纤维素排列示意图;c1)竹纤维素微纤维d1)滤纸。合成纤维(POM)制备纤维膜的工艺流程:a2)合成纤维(POM纤维)。(b2POM拉伸纤维内部取向的原纤化结构;c2PMFd2PMFM


  POM微纤维是一种具有潜力的油水分离材料,它有十分优异的疏水性和亲油性,高度稳定的化学性质,以及独特的微纤维材料的可回收性和可变形性。


  将POM拉伸纤维剪切成2cm左右的短切纤维,再在水环境中用机械粉碎机对短切纤维进行剪切,粉碎和拆解得到PMF水分散液,通过抽滤,烘干等操作得到PMFPMFM。同时,使用POM初生纤维也经过上述相同制备工艺得到了POM初生纤维粉末样品,发现其无法制备得到分离膜这是因为POM拉伸纤维中具有热牵伸过程带来的高度取向的原纤化结构,通过拆解这种原纤化结构即可制备得到微纤维,进而通过微纤维间的相互穿插、交叠、支撑得到微纤维膜。这种原纤化结构和微纤维结构在POM初生纤维和初生纤维粉末中是不具备的。此外,在制备策略方面,PMF的制备过程中仅用到了去离子水,没有使用任何化学试剂,实现了零污染,这种策略对微纤维材料的环保性制备具有重要的借鉴意义。 


2.a)用POM初生纤维和POM拉伸纤维制备POM初生纤维粉末和PMF的工艺,以及机械剪切、粉碎和拆示意图bPOM初生纤维粉末cPMFd)(gPMFM照片ePOM初生纤维粉末SEM照片;fPMFSEM照片。


  PMFM具有超疏水性。在不同的机械粉碎时间下,得到的PMFM最高的空气中的水接触角达到了131°,而在油中的水接触角可高达160°且在10次循环内,PMFM的空气中和油中的水接触角分别维持在130°和160°左右,较之前无明显下降。 


3.aPMFM的阻水能力;(b)不同机械粉碎时间得到的PMFM的空气中水接触角;机械粉碎时间为(b15分钟、(b230分钟、(b350分钟、(b4120分钟的PMFMSEM照片;(d)油水分离前后PMFM空气中的水接触角;(e)环己烷中的水接触角;(f)氯仿中的水接触角;(g)环己烷中,水滴在PMFM表面滚动不粘附。


  PMF具有超亲油性。PMF0.1s内将油完全吸附,并且对于各种油和有机溶剂的吸附量在11-20倍。其中对于氯仿的吸附量最大,为自身重量的19.5,且在10次循环内仍能保持较高的吸附量。 


4.a)环己烷吸附;(b)氯仿的吸附;(cPMF10个循环内对氯仿和环己烷的吸附能力;(dPMF对各种油和有机溶剂的吸附能力。


  PMF可以直接吸附油相。将PMF直接投入含有油相的水(油相漂浮在水面或沉在水底)中,轻微搅拌后即可将油相吸附完全,且吸附后PMF会粘附聚集成团块状,经打捞后可留下清洁的水体。 


5.aPMFM吸附和分离水中的氯仿;(bPMFM吸附和分离水中的环己烷;PMF吸附和分离水中的氯仿;(dPMF吸附和分离水中的环己烷。


  使用PMFM分离油水混合物的分离效率超过99%接近100%且在10次循环内分离效率依旧维持在99%以上。此外,PMF的耐溶剂性使得其可分离各种各样的油及有机溶剂和水混合物,PMF的可回收性保证了其重复分离油水混合物时的效率,可变形性确保其可适用于的各种复杂的油水分离环境。 


6.a)氯仿(红色)-水(蓝色)分离过程以及分离前后氯仿和水的体积;(b10次循环内氯仿-水分离效率和的连续分离效率;(c)氯仿-水混合物的连续分离过程。 


7.aPMF浸入各种油和有机溶剂后的剩百分比;(b10个循环内,回收的PMF的空气、环己烷和氯仿中的水接触角,图示为在空气、环己烷、氯仿中静置10小时的水接触角;(c)回收的PMF的各种油和有机溶剂的油吸附量。(d10个循环内,回收的PMF的氯仿-水分离效率和连续分离效率。(e)将PMF构造为油水分离杯进行氯仿-水混合物的分离。


  该项成果以Preparation of recyclable and deformable POM microfiber for oil-water separation with nature-inspired top-bottom strategy为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。课题组博士生金文斌为本论文第一作者,通讯作者为夏于旻副教授。


  论文链接:https://authors.elsevier.com/a/1gQ6s4x7R2gHav

  论文DOI链接https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141332

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(责任编辑:xu)
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