东北林业大学韩广萍&程万里Adv. Fiber Mater.：纤维素纳米晶锚定TiO₂原位改性电纺丝聚丙烯腈膜用于含油废水回收

随着人们对清洁水资源的需求日益迫切以及含油废水的排放量不断增加，有特殊润湿性的高通量油水分离材料受到越来越多的青睐。从可再生生物质中提取的纤维素纳米晶（CNC）已被用于制备油/水分离膜，但仅限于提高机械性能。

近期，东北林业大学韩广萍教授&程万里教授通过CNC杂化工艺在聚丙烯腈（PAN）纳米纤维上构建了一种富含-OH的褶皱结构。然后，通过褶皱和-OH将超亲水性纳米TiO₂外壳紧密地锚定在纤维表面。CNC显著促进了TiO2的原位生长，TiO₂负载率高达5.3%。纳米TiO₂外壳赋予了薄膜超亲水性和水下超疏油性，从而使油/水混合物的渗透通量从1483显著增加至11,023L/m2/h。有趣的是，分层结构有助于表面活性剂稳定水包油乳液的破乳，使所得膜具有优异的防污性能和约3278L/m²/h的高乳液渗透性。该设计策略在非反应性基底上进行有针对性的修饰，为制造油/水分离膜提供了一种新的途径。

图1.该图展示了具有核壳结构的超润湿TiO₂@CNC/PAN膜的设计理念。

图2.具有不同CNC浓度的TiO₂@CNC/PAN膜的SEM图像：a）0wt%，b）5wt%，c）10wt%和d）20wt%。e-i）Ti_O2@PCNC-10的EDS图谱和元素分析，验证了Ti元素的存在。j,k）TiO₂@PCNC-10中单根纳米纤维和TiO₂晶格的TEM图像。

图3.薄膜的FTIR（a）和XPS（b-e）证实了TiO₂成功附着在纳米纤维表面。其中，c,d）属于PCNC-10中O、Ti和O元素，以及TiO₂@PCNC-10中Ti和O元素的光谱峰。f）所获得的膜的TiO₂负载比。g）CNC/PAN膜上TiO₂生长的示意图。h）具有不同CNC浓度的TiO₂@CNC/PAN膜的拉伸强度。

图4.a）纯PAN、PCNC-10和TiO2@PCNC-10的水接触角表明，TiO₂显著提高了过滤材料的亲水性。b）正己烷和二氯乙烷在纯PAN、PCNC-10和TiO₂@PCNC-10上的水下油接触角（UOCA）。c）染色正己烷在TiO₂@PCNC-10上的水下动态油附着测定。d）建立了超亲水性和防油粘附模型。

图5.a）纯PAN、PCNC-10和TiO₂@PCNC-10对无乳化剂稳定的正己烷/水混合物的有效分离。b）TiO₂@PCNC-10对各种水包油乳液的渗透率以及滤液中的TOC含量。c）水包正己烷乳液和相应滤液的显微照片。d）水包正己烷乳液的油滴尺寸。e）TiO₂@PCNC-10与其他具有代表性的过滤材料的分离通量和驱动压力比较。

图6.a）不同循环中，TiO₂@PCNC-10对水包正己烷乳液的分离性能。b）TiO₂@PCNC-10的DRt曲线。DRt值小于10%表明该膜具有优异的防污性能。20个循环后TiO₂@PCNC-10的微观形态（c），Ti（d）和O（e）元素的EDS图谱表明，TiO₂牢固地附着在纳米纤维表面。20个循环后TiO₂@PCNC-10的WCA（f）和UOCA（二氯乙烷）（g）。

该工作以“Electrospun Polyacrylonitrile Membrane In Situ Modified with Cellulose Nanocrystal Anchoring TiO2 for Oily Wastewater Recovery”为题发表在《Advanced Fiber Materials》（DOI:10.1007/s42765-023-00325-0）上。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-023-00325-0