在大多数国家中,水已经是稀缺资源,虽然现有地下水的使用有助于缓解饮用水的压力,但是海水淡化逐渐成为经济潮流。静电纺丝作为一种纳米技术,可以制备高多孔性,疏水性/亲水性膜用来改善表面特性和膜蒸馏(MD)长期脱盐膜系统的防污性能。金属有机骨架作混合基质膜中的填料有利于吸附和分离,但是,因为大多数MOF都是热液态的不稳定,只有少数,特别是那些锆和铁金属离子簇,在水中足够稳定以用于水应用。因此,来自渥太华大学化学与生物化学工程系工业膜研究所的 Johnson E. Efome课题组通过电纺MOF[Fe-BTC,含有PVDF的1,3,5-苯三甲酸铁(F300)]构建了新颖的电纺纤维膜,用于直接接触式膜蒸馏,相关研究发表在《应用材料与界面》期刊上。
Figure 2. SEM images of the membrane surface, (a) PVDF, (b) PV-1,(c) PV-3, and (d) PV-5. The small scale bar shown on the bottom is 1μm corresponding to single fiber, and the larger scale bar is 5 μm.
从图2 中可以看出膜表面是光滑的,单独的PVDF纳米纤维也具有光滑表面,而加入MOF粒子的纤维表面粗糙,PV-1到PV-5粗糙度逐渐增加,表明纤维表面负载MOF颗粒。从图3可以看出PVDF纳米纤维直径分布为202.72 ± 134.80 nm,加入MOF改善纤维的微观形貌,使其表面多孔、具有褶皱。直径分布图(图3)中PV-1的直径为375.04 ± 154.74 nm,PV-5的直径为增加到445.58± 166.92 nm,这主要归因于在静电纺丝过程中MOF负载量的增加使聚合物射流更稳定。
Figure 3. Fiber diameter distribution for the nanofiber mats, (a)PVDF, (b) PV-1, (c) PV-3, and (d) PV-5.
Figure 4. SEM images of cross section, (a) PVDF, (b) PV-1, (c) PV-3,and (d) PV-5. The scale bar shown on the bottom is 200 μm.
横截面图像(图4)表明纳米纤维和支撑材料之间的附着,该“溶剂”增强了支撑材料和纳米纤维垫的相容性和稳定性。MOF通常在结构上是中孔结晶,但是XRD证实分析(6B)MOF-F300作为一种无序的构型材料。N 2等温线(图6A)表明MOF表面积为1200-1350m2/g。
Figure 6. (A) N 2 adsorption plot to determine surface area of the MOF. (B) PXRD pattern of the pristine MOF.
Figure 10. (a) CA of the membranes.
图10表明随着MOF负载量增加,孔隙率也随之增加。由于孔隙率的增加,从PVDF到PV-5的CA逐渐增加。图11总结了所有测试膜的DCMD实验数据,从图中可以看出由于驱动力的增强,渗透通量随着进料温度的增加而增加。
Figure 11. Flux and permeate conductivity for (a) PVDF, (b) PV-1,(c) PV-3, and (d) PV-5.
通过静电纺丝将含有MOF的PVDF纺丝原液涂布到非织造支撑物上材料制备的新型MD膜表现出DCMD性能。加入MOF后增加了膜的CA,纤维直径,孔径和孔隙率。在99.99%NaCl时排斥进料和渗透温度分别为48和16℃时,负载MOF膜的最佳膜性能为3.26kg/m2·h,且高渗透质量可以保持5小时。
Johnson E. Efome课题组于2018年3月8号发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。