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西安工業大學張紅梨/西工程大楊杰 SPT:納米纖維素插層的抗溶脹MXene納濾膜用于抗生素廢水高效凈化
2022-10-26  來源:高分子科技

  抗生素是醫療廢水中的主要污染物之一,具有固有的生物毒性和機體耐受性,對生態系統及人體健康帶來巨大危害。近年來,針對抗生素廢水的高效處理發展了多種方法,如生物處理、高級氧化法、吸附法和膜分離等。納濾膜分離技術以其分離效率高、能耗低、操作簡單、環境友好等優勢,在抗生素廢水處理方面具有廣闊的應用前景。特別是隨著二維納米材料的興起,以Ti3C2Tx(T= F,O、OH)為代表的過渡金屬碳/氮化物(MXene)具有剛性的二維層狀結構、高長徑比和表面親水性等特點,被視為膜分離領域具有前景的候選材料。然而,Ti3C2Tx表面高的親水性促使水分子容易吸附到MXene納米片層間,導致膜材料產生溶脹問題,這使得Ti3C2Tx MXene膜實際性能遠低于理論預測。


  針對上述問題西安工業大學青年教師張紅梨課題組將柔性、親水的羧基化纖維素納米纖維(CNFs)引入到Ti3C2Tx MXene納米片層間,來提升膜層間通道結構的穩定性(圖1)CNFs和Ti3C2Tx納米片之間強烈的氫鍵可發揮“橋梁作用”,將相鄰的Ti3C2Tx納米片連接起來,有效地固定了層間距離,提升了Ti3C2Tx膜的抗溶脹性能;此外,CNFs的插入還可實現對Ti3C2Tx層間傳輸通道結構和界面的精細化調控,為分子的快速和選擇性傳輸創造合適的開放間隙。該成果以“Nanocellulose-intercalated MXene NF Membrane with Enhanced Swelling Resistance for Highly Efficient Antibiotics Separation”為題發表在膜分離領域國際Top期刊Separation and Purification Technology上,西安工程大學校聘副教授楊杰為本文共同通訊作者


 圖1 Ti3C2Tx/CNFs復合納濾膜制備過程示意圖 


圖2 (a)膜的XRD結果;(b)膜的XPS全譜圖;(cTi3C2Tx膜的高分辨XPS C1s譜圖(dTi3C2Tx/CNFs復合膜的高分辨XPS C1s譜圖 


圖3(aTi3C2Tx膜和(b)Ti3C2Tx/CNFs膜SEM表面形貌;(cTi3C2Tx膜和(d)Ti3C2Tx/CNFs膜AFM表面粗糙度分析;(eTi3C2Tx膜和(f)Ti3C2Tx/CNFs膜SEM截面形貌;gTi3C2Tx/CNFs膜截面元素分布 


圖4 膜對無機鹽Na2SO4的分離性能(a)水通量(b)截留率;(c)膜的水接觸角;(d)膜的Zeta電位變化


  通過優化Ti3C2Tx/CNFs的比例、調控復合膜的層間通道結構,所制備的Ti3C2Tx/CNFs膜對抗生素分子表現出高的截留率(對阿奇霉素截留率達到~99.0%)和水滲透通量(26.0 L m-2 h-1 bar-1)。并且,膜在錯流過濾過程中連續工作76 h仍能保持高的選擇性和水通量,表明其優異的抗溶脹性質。他們推斷Ti3C2Tx/CNFs膜的分離機理除了孔道尺寸篩分、電荷作用外,還由于插入的CNFs具有良好的富集、吸附功能。超細互聯納米纖維網絡結構的CNFs就像“天然水生植物”一樣,通過吸附效應實現抗生素廢水的天然凈化。 


圖5 膜對抗生素的分離性能(a)水通量(b)截留率;(cTi3C2Tx/CNFs膜與最近報道納濾膜的性能比較;(d)膜對四環素分離性能的長期穩定性 


圖6 (a)膜對四環素靜態吸附前后的UV-vis;(b)Ti3C2Tx/CNFs膜在不同pH下對四環素的分離性能;(cTi3C2Tx/CNFs膜分離機理示意圖


  論文信息:

  Hongli Zhang* Yiling Zheng, Hongwei Zhou, Shilin Zhu, Jie Yang*. Nanocellulose-intercalated MXene NF Membrane with Enhanced Swelling Resistance for Highly Efficient Antibiotics Separation. Separation and Purification Technology 2022, 122425

  https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122425 

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