1、多孔聚丙烯腈纤维膜的制备及油/水分离性能柴鹏,邵柯涵,骆春佳,晁敏,颜录科(长安大学材料科学与工程学院,高分子材料与工程系,西安710064)摘要:首先采用静电纺丝制备聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮(PAN/PVP)纤维膜,再经水浸渍处理获得多孔聚丙烯腈(PPAN)纤维膜。通过傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、热重分析(TGA)探究纤维成孔机理,采用 X 射线光电子能谱(XPS)研究多孔纤维膜中 PAN 与 PVP 分子间相互作用力;同时探究 PAN 与 PVP 质量比对多孔纤维膜形貌、比表面积、润湿性、力学性能、油/水分离性能的影响,并确定最佳配比。结果表明:当 m(PAN)/m(PVP)=12
2、时,PPAN 纤维膜具有较高的力学性能;对正己烷/水混合物的分离通量高达(463183879)L/(m2hbar)(1bar=0.1MPa),分离效率为(96.010.38)%;还实现了对不同种类油/水混合物的高效分离。此外,该 PPAN 纤维膜表现出优异的循环分离性能,经 10 次循环分离后,通量损失率仅为 8.9%。关键词:聚丙烯腈;静电纺丝;多孔结构;高通量分离;油/水分离中图分类号:TQ342、TQ319文献标志码:APreparation of Porous Polyacrylonitrile Fibrous Membranes and TheirProperties for Oil
3、/Water SeparationCHAIPeng,SHAOKehan,LUOChunjia,CHAOMin,YANLuke(DepartmentofPolymerMaterialsandEngineering,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ChanganUniversity,Xian710064,China)Abstract:First,polyacrylonitrile/polyvinylpyrrolidone(PAN/PVP)fibrousmembranewaspreparedbyelectrospinning,andthenporousp
4、olyacrylonitrile(PPAN)fibrousmembranewasobtainedbywaterimpregnation.Fouriertransforminfrared(FT-IR)spectraandthermogravimetricanalysis(TGA)wereusedtoexplorethemechanismoffiberpore-forming,andX-rayphotoelectronspectroscopy(XPS)wasusedtostudytheinteractionbetweenPANandPVPmoleculesintheporousfibrousmem
5、brane.At the same time,the effects of mass ratio of PAN to PVP on the morphology,surface area,wettability,mechanicalproperties,andoil/waterseparationperformanceoffibrousmembranewereinvestigated,andtheoptimalmassratio was determined.Results showed that when m(PAN)/m(PVP)was 12,PPAN fibrous membrane s
6、howed highermechanicalproperties.Theseparationfluxofthen-hexane/watermixturewas(463183879)L/(m2hbar)(1bar=0.1MPa),andtheefficiencywas(96.010.38)%.Italsorealizedtheefficientseparationofdifferentkindsofoil/watermixtures.Inaddition,PPANfibrousmembraneshowedexcellentcyclicseparationperformance,andtheflu
7、xlossratewasonly8.9%aftertencyclesofseparation.收稿日期:2023-04-08基金项目:陕西省创新能力支撑计划-科技创新团队(2023-CX-TD-43);中央高校基本科研业务费专项资金(300102313208,300102312403)作者简介:柴鹏(1997),男,硕士,研究方向为用于废水处理的高分子膜材料。E-mail:通信联系人:颜录科,E-mail:yanlk_引用格式:柴鹏,邵柯涵,骆春佳,晁敏,颜录科.多孔聚丙烯腈纤维膜的制备及油/水分离性能 J.功能高分子学报,2023,36(4):399-407.Citation:CHAIPen
8、g,SHAOKehan,LUOChunjia,CHAOMin,YANLuke.PreparationofPorousPolyacrylonitrileFibrousMembranesandTheirPropertiesforOil/WaterSeparationJ.JournalofFunctionalPolymers,2023,36(4):399-407.Vol.36No.4功能高分子学报2023年8月JournalofFunctionalPolymers399Key words:polyacrylonitrile;electrospinning;porousstructure;highth
9、roughputseparation;oil/waterseparation近年来,石油、化工等行业在生产过程中排放的含油污水,以及频发的海上溢油事故对人类健康和环境可持续发展产生了巨大影响1,2。膜分离技术凭借简单、高效、节能等优势,已在油/水分离过程中,发挥越来越大的作用3,4。在相转化、界面聚合、静电纺丝等众多膜制备方法中,静电纺丝技术具有工艺简单、成本低、纤维结构可调等优点,在水净化领域受到许多研究者的关注5,6。聚丙烯腈(PAN)的化学稳定性、热稳定性和耐气候性良好,常作为电纺聚合物纤维膜的基体材料7。例如,Sun 等8采用电喷涂和原位生长的方法改性 PAN 纤维膜,该纤维膜具有高效
10、的油/水分离和光催化作用。Dou 等9将 PAN 和响应性共聚物共混制备了智能复合膜,该膜通过控制 pH 和温度调节润湿性,可有效分离不同类型的含油废水。尽管 PAN 基纤维膜已在油/水分离领域取得了许多成果,但纤维膜通常只存在纤维间的层次化通道,导致分离时通量较低,且力学性能较差,影响纤维膜的应用10。本文首先通过静电纺丝技术将 PAN 与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混制备 PAN/PVP 纤维膜,之后经水浸渍处理得到多孔聚丙烯腈(PPAN)纤维膜。该纤维膜不仅具有超亲水性、水下超疏油性以及较好的力学性能,对油/水混合物具有超高的分离通量和效率,而且还表现出优异的循环分离性能,充分表明,PPA
11、N 纤维膜在含油污水的实际处理过程中展现出巨大的潜力。1 实验部分 1.1 原料和试剂PAN:Mw=8.5104,上海麦克林生化科技公司;PVP:K130 型,上海易恩化学技术有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、五水硫酸铜(CuSO45H2O):分析纯,上海阿拉丁有限公司;油红:分析纯,天津大茂化学试剂厂;正己烷、石油醚、正庚烷、甲苯:分析纯,天津富宇精细化工有限公司;食用油从超市购买。1.2 PPAN 纤维膜的制备首先,称取 PAN 与 PVP 混合于 DMF 中(固定 m(PAN)=1.00g,w(PAN)=8%),在 50 下加热搅拌待其充分溶解;然后,将超声消除气泡的前驱体溶液装
12、入 10mL 注射器(平口针头内径 0.9mm)进行静电纺丝(参数如下:进料速率为 1mL/h,电压为 27kV,接收距离为 20cm,环境温度和湿度分别为(255)和(455)%),60 真空干燥 24h 得到 PAN/PVP 纤维膜;最后,将纤维膜浸泡在 70 去离子水中 24h,取出后冷冻干燥 24h 得到 PPAN 纤维膜,其制备示意图如图 1 所示。当 m(PAN)m(PVP)分别为 11、11.5 和12 时,所得 PAN/PVP 纤维膜分别标记为 PAN/PVP1、PAN/PVP1.5、PAN/PVP2,所得 PPAN 纤维膜分别标记为 PPAN1、PPAN1.5、PPAN2,当
13、 m(PAN)m(PVP)0.5 时,由于前驱体溶液黏度过高而无法电纺。此外,还制备了 PAN 纤维膜作为对照样品。ElectrospinningDMF;PAN;PVPPAN/PVP membraneWater impregnationPPAN membrane图1PPAN 纤维膜的制备示意图Fig.1SchematicdiagramofPPANfibrousmembranepreparation 1.3 测试与表征扫描电子显微镜(SEM,日本 Hitachi 公司 S-4800 型):对纤维膜进行喷金处理,拍摄时设置加速电压为15kV,采用 ImageJ 软件测量纤维直径,并对直径进行统计分
14、布,每个样品量取 100 根纤维。400功能高分子学报第36卷傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,德国 Bruker 公司 TENSOR型):将纤维膜裁剪成 1cm1cm 的块状,使用衰减全反射(ATR)模式,测试波长范围为 4004000cm1。热失重分析仪(TGA,美国 TA 公司 SDT-650 型):氮气氛围,升温速率 10/min,测试温度范围 25800。全自动比表面及孔隙度分析仪(BET,美国 Micromeritics 公司 ASAP2460 型):通过 N2吸-脱附等温线测试计算样品比表面积和孔径分布,测试前将样品在 100 下脱气 8h。X 射线光电子能谱仪(XPS,英国 K
15、ratos 公司 AxisUltraDLD 型):通过 CasaXPS 软件对测试结果进行数据拟合。使用自组装接触角测量仪表征纤维膜水接触角和水下油接触角,记录水滴完全润湿时间,每个纤维膜测试 3 次以减小误差。电子万能试验机(西安卡夫曼测控技术有限公司 T-30 型):以 2mm/min 的拉伸速率对纤维膜力学性能进行测试,样条长 40mm,宽 10mm,每个纤维膜进行 3 次拉伸测试以减小误差。JE油/水混合物分离实验:将油(正己烷、石油醚、甲苯、正庚烷、食用油)与水以体积比 11 混合,为获得直观的效果,油被油红染色,水被 CuSO45H2O 染色,然后采用终端过滤装置,在 0.2bar
16、(1bar=0.1MPa)压力作用下对油/水混合物进行分离。分离通量()与分离效率()按下式计算:J=VAtp(1)E=m1m0100%(2)VAtpm0m1其中为渗透液的体积(L),为有效分离膜面积(m2),为分离时间(h),为跨膜压力(bar),和分别为油/水混合物分离前后的水质量(g)。2 结果与讨论 2.1 形貌表征纤维膜样品的 SEM 图像如图 2 所示。PAN 纤维膜表面光滑并且纤维形貌完整。未经水浸渍的PAN/PVP 纤维膜,纤维粗细均匀,表面光滑,拥有完整纤维形貌。随着 PVP 含量的增加,纤维直径变大,这是2 mPAN1 m1 m1 m1 m1 m1 m3 m3 m3 mPA
17、N/PVP1PAN/PVP1.5PAN/PVP2PPAN1PPAN1.5PPAN2PPAN1PPAN1.5PPAN2图2纤维膜的 SEM 图像Fig.2SEMimagesoffibrousmembranes第4期柴鹏,等:多孔聚丙烯腈纤维膜的制备及油/水分离性能401因为静电纺丝纤维直径受前驱体溶液黏度影响较大,黏度越高,纤维直径越大11。经水浸渍后,PPAN 纤维表面出现孔结构,且与 PPAN1 纤维相比,PPAN1.5 和 PPAN2 纤维膜表面更加粗糙,孔隙更多。同时,从 PPAN纤维截面观察到纤维内部同样存在孔隙,说明多孔纤维膜的成功制备。PAN/PVP 纤维膜浸泡前后的平均直径如图
18、3 所示。所有纤维膜的纤维直径呈正态分布。水浸渍前,PAN/PVP1、PAN/PVP1.5、PAN/PVP2 纤维膜的平均直径分别为(0.780.14)、(1.240.24)、(1.630.17)m,纤维平均直径逐渐增大。水浸渍后,PPAN1、PPAN1.5、PPAN2 纤维膜的平均直径分别为(0.680.19)、(0.950.29)、(1.470.25)m,纤维平均直径变小。Fiber diameter/mPAN/PVP1PAN/PVP1.5PAN/PVP2PPAN1PPAN1.5PPAN2Frequency/%0.200.40.60.81.01.25101520253035Fiber di
19、ameter/mFrequency/%0.600.8 1.01.42.01.21.6 1.82.2510152025Fiber diameter/mFrequency/%1.201.41.61.82.02.251015203025Fiber diameter/mFrequency/%0.200.40.60.81.01.25101520253035Fiber diameter/mFrequency/%0.200.4 0.61.01.60.81.2 1.41.8510152025Fiber diameter/mFrequency/%0.801.21.01.4 1.6 1.8 2.0 2.25101
20、52025图3纤维膜的纤维直径分布Fig.3Fiberdiameterdistributionoffibrousmembranes 2.2 纤维成孔机理探究通过 FT-IR 光谱(图 4(a)和 TGA 曲线(图 4(b)研究了纤维膜化学键和成分组成。如图 4(a)所示,PAN 纤维膜在 2937、1446cm1处的峰由 CH 拉伸引起,2243cm1处的峰对应 CN 键12,其余纤维膜在 1657、1290cm1处的峰来自 PVP 的 C=O、CN 键13。随着 PVP 含量的增加,PAN/PVP 纤维膜中 PVP 的特征吸收峰显著增强;经水浸渍处理后,相对应的 PPAN 纤维膜中,PVP
21、的特征吸收峰强度下降,说明大部分 PVP 经水浸渍处理后被有效去除,但 PVP 特征吸收峰未完全消失,这是由于 PAN 与 PVP 分子链之间存在缠结,水浸渍Wave number/cm1T/Residual of mass/%04 000PPAN2PPAN1.5PPAN1PAN/PVP2PAN/PVP1.5PAN/PVP1PANPPAN2PPAN1.5PPAN1PAN/PVP2PAN/PVP1.5PAN/PVP1PANPVP2 9372 2431 6571 446 1 2903 000(a)(b)2 0001 00010020030040050060070080020406080100图4纤
22、维膜的(a)FT-IR 光谱和(b)TGA 曲线Fig.4(a)FT-IRspectraand(b)TGAcurvesoffibrousmembranes402功能高分子学报第36卷无法将其完全去除14。如图 4(b)所示,PAN 的质量损失分为两个阶段:第一阶段(280340)发生环化反应15;第二阶段(340530)发生碳化反应16,导致质量进一步损失。PVP 的热失重同样分为两个阶段:第一阶段初始失重在 120 以下,归因于样品中水分的蒸发;第二阶段(370490)失重与 PVP 的分解有关17。PAN/PVP 纤维膜的热失重也主要分为两个阶段:第一阶段在 280340,对应 PAN 环
23、化反应;第二阶段在340490,期间进行 PVP 分解与 PAN 碳化。PVP 含量越多,热损失质量占比越大,而且 PVP 的掺入降低了起始分解温度。对于 PPAN 纤维膜,其热失重阶段与 PAN/PVP 纤维膜大致相同,但 PPAN 纤维膜热失重要远小于对应的 PAN/PVP 纤维膜,这说明通过水浸渍可有效去除 PVP,这与 FT-IR 测试结果相一致。因此,PPAN 纤维上孔结构的形成是由于水浸渍过程中 PVP 的溶解。2.3 比表面积分析SBET通过 N2吸附-脱附等温曲线(图 5(a)和相应孔径分布(图 5(b)进一步研究水浸渍后纤维膜的多孔结构。如图 5(a)所示,所有等温线都表现为
24、 IV 型,吸附-脱附分支之间的滞后环表明存在介孔18,19。与 PAN 纤维膜相比,PPAN 纤维膜的比表面积变大,归因于纤维膜上孔隙的形成,PPAN1、PPAN1.5、PPAN2 纤维膜的比表面积()分别为 18.44、40.08、33.41m2/g,说明 PPAN1 纤维膜内部孔隙相对较少,PPAN1.5 纤维膜存在大量孔结构,这与 SEM 图像表现一致,比表面积增加有利于油/水分离时水的渗透,进而提高分离通量20。同时,PPAN1.5 和 PPAN2 纤维膜孔径分布为其高介孔结构提供了另一个证据(图 5(b),多孔结构形成有两个原因:一是纤维相互交错形成网状结构;二是 PPAN 纤维膜
25、上存在孔隙。p/p000.20.40.60.81.04080120160200PAN(a)PPAN1PPAN1.5PPAN213.43SBET/(m2g1)18.4440.0833.41(b)PANPPAN1PPAN1.5PPAN2Pore diameter/nm01020304050600.0020.0040.0060.0080.010Quantity adsorbed/(cm3g1 STP)Pore volume/(cm3g1nm1)图5纤维膜的(a)N2吸附-脱附等温曲线和(b)孔径分布Fig.5(a)N2adsorption-desorptionisothermsand(b)pores
26、izedistributionoffibrousmembranes 2.4 结构分析图 6(a)所示为 PAN 纤维膜和 PPAN2 纤维膜的 XPS 宽扫光谱,在 286.2、399.9、532.4eV 处的特征峰分别对应 C1s、N1s、O1s,说明 PAN、PPAN2 纤维膜都含有以上元素,其中 PAN 纤维膜中氧元素的特征峰可能Binding energy/eVPAN(a)(b)PAN(c)PPAN2PPAN2O1sN1sC1s900700500300100Binding energy/eVCC280CN285290295Binding energy/eVCCC=O280CN28529
27、0295图6PAN 纤维膜、PPAN2 纤维膜的(a)XPS 宽扫光谱和(b,c)C1s 窄扫光谱Fig.6(a)XPSwidesweepspectraand(b,c)C1snarrowsweepspectraofPANfibrousmembraneandPPAN2fibrousmembrane第4期柴鹏,等:多孔聚丙烯腈纤维膜的制备及油/水分离性能403是残留 DMF 所造成的。PAN 纤维膜中 CN 基团的结合能为 286.6eV,CC 基团的结合能为 285.6eV(图 6(b)。PPAN2 纤维膜的 C1s 窄扫光谱中,288.2eV 处特征峰对应 C=O 基团,这也说明水浸渍未能将P
28、VP 完全去除(图 6(c)21。此外,与 PAN 纤维膜相比,PPAN2 纤维膜的 CN、CC 基团峰值均转移到较低结合能处,说明 PAN 与 PVP 通过分子间作用力紧密结合22。2.5 纤维膜润湿性分析通过测量纤维膜在空气中水接触角和润湿时间对其润湿性进行了评价(图 7(a)。PAN 纤维膜具有疏水性,初始接触角为(100.02.0),水(4L)在膜表面扩散大约需要 4.60s,随着 PVP 的加入,PPAN 纤维膜水接触角逐渐减小,润湿时间缩短,PPAN2 纤维膜水接触角为(50.74.2),润湿时间仅为(1.380.16)s。PPAN纤维膜的超亲水性由表面粗糙度和所含亲水性官能团共同
29、决定:一方面经水浸渍处理,PPAN 纤维膜表面出现孔隙,粗糙度增加;另一方面含有亲水性羰基官能团的残存 PVP 分子链暴露在膜表面23。通过测量水下油接触角评估油滴在 PPAN 纤维膜表面的浸润性,PAN、PPAN1、PPAN1.5 和 PPAN2 纤维膜的水下正己烷接触角分别为(127.62.5)、(141.33.1)、(145.31.2)、(151.01.0)(图 7(b),结果表明 PPAN2 纤维膜具有水下超疏油性。此外,PPAN2 纤维膜对石油醚、正庚烷、甲苯、食用油的水下接触角(图 7(c)均大于 150,表明 PPAN2 纤维膜具有优异的水下超疏油性。图 7(d)揭示了 PPAN
30、2 纤维膜的水下超疏油机制,基于纤维膜的超亲水性,粗糙纤维表面将水分子捕获并形成连续的水层,避免油相与膜表面直接接触,使油滴保持球形,从而赋予纤维膜水下超疏油性质。MembraneWater contact angle/()Wetting time/sPAN0PPAN1PPAN1.5PPAN22040608010012014016018064202468MembranePAN60PPAN1PPAN1.5PPAN290120150180OilOil contact angle/()Petroleum etherTolueneEdible oil60WaterUnder waterPPAN2Oil
31、PPAN2PPAN2PPAN290120150180(a)(b)(c)(d)n-Hexane contact angle/()n-Heptane图7纤维膜的(a)水接触角与润湿时间以及(b)水下正己烷接触角;(c)PPAN2 纤维膜的水下油接触角与(d)水下超疏油示意图Fig.7(a)Watercontactangle,wettingtime,and(b)underwatern-hexanecontactangleoffibrousmembranes;(c)Contactangleforoilsunderwaterand(d)schematicdiagramofunderwatersupero
32、leophobicofPPAN2fibrousmembrane 2.6 纤维膜力学性能分析纤维膜的应力-应变曲线如图 8(a)所示,与 PAN 纤维膜相比,PPAN 纤维膜具有更好的拉伸强度和断裂伸长率。PAN 与 PVP 分子链的互穿网状结构及分子间相互作用力提高了拉伸强度,均匀的多孔结构有利于404功能高分子学报第36卷应力分散,提高断裂伸长率24。此外,PPAN2 纤维膜的拉伸强度为(7.540.57)MPa,是 PAN 纤维膜的 1.76倍(图 8(b)。显然,PPAN2 纤维膜具有优异的力学性能。Stress/MPa01020Strain/%3040246810Tensile str
33、ength/MPa0PANPPAN1MembranePPAN1.5PPAN22468PAN(a)(b)PPAN1PPAN1.5PPAN2图8纤维膜的(a)应力-应变曲线和(b)拉伸强度Fig.8(a)Stress-straincurvesand(b)tensilestrengthsoffibrousmembranes 2.7 纤维膜油/水分离测试对于正己烷/水混合物的分离,PAN 纤维膜分离通量为(10293327)L/(m2hbar),效率为(95.920.76)%;PPAN1、PPAN1.5 和 PPAN2 纤维膜分离通量分别为(12496448)、(291001073)、(4631838
34、79)L/(m2hbar),效率分别为(95.910.26)%、(96.120.38)%、(96.010.38)%(图 9(a),由此可见 PPAN 纤维膜分离通量均高于 PAN 纤维膜,一方面归因于 PPAN 纤维膜良好的润湿性;另一方面是因为 PAN 纤维膜只MembraneFlux/(Lm2h1bar1)Separation efficiency/%Separation efficiency/%PAN0PPAN1PPAN1.5PPAN2204060801001104021043104410451046104OilFlux/(Lm2h1bar1)Separation efficiency/
35、%Petroleum etherTolueneEdible oil020406080100110421043104410451046104Cycle timesFlux/(Lm2h1bar1)12345678910110402104310441045104Cycle times12345678910200406080100(a)(b)(c)(d)n-Hexane图9(a)不同纤维膜对正己烷/水混合物的分离性能;(b)PPAN2 纤维膜对不同油/水混合物的分离性能;PPAN2 纤维膜 10 次循环分离的(c)通量和(d)效率Fig.9(a)Separationperformanceofdiffe
36、rentfibrousmembranesforn-hexane/watermixture;(b)SeparationperformanceofPPAN2fibrousmembranefordifferentoil/watermixtures;(c)Fluxand(d)efficiencyof10cyclesseparationofPPAN2fibrousmembrane第4期柴鹏,等:多孔聚丙烯腈纤维膜的制备及油/水分离性能405存在由致密纤维交织形成的层次化通道,而 PPAN 纤维膜除此之外,纤维上的多孔结构赋予了其额外的渗透通道25,因此 PPAN 纤维膜具有较高的分离通量。此外,PPAN
37、2 纤维膜分离通量大于 PPAN1.5 纤维膜的相应值,这是因为 PPAN2 纤维膜中 PVP 的残余量高于 PPAN1.5 纤维膜的相应值,亲水基团的数量增加会提高纤维膜的浸润性,进而对分离性能产生积极影响。使用 PPAN2 纤维膜对石油醚/水、正庚烷/水、甲苯/水、食用油/水混合物进行分离实验,均表现出优异的油/水分离性能(图 9(b)。综上所述,PPAN2 纤维膜分离效果最佳。此外,PPAN2 纤维膜经 10 次循环分离(图 9(c,d),通量损失率仅为 8.9%,但仍保持较高通量(409191462)L/(m2hbar),而且效率几乎不变。这表明 PPAN2 纤维膜具有优异的可持续分离
38、性能。3 结论(1)通过静电纺丝和水浸渍处理法成功制备了 PPAN 纤维膜。(2)PPAN2 纤维膜表现出超亲水性、水下超疏油性和较好的力学性能。(3)PPAN2 纤维膜对油/水混合物具有优异的分离性能,分离通量高达(463183879)L/(m2hbar),而且10 次循环分离后仍保持较高的分离通量。参考文献:FANQW,LUT,DENGYK,ZHANGYY,MAWJ,XIONGRH,HUANGCB.Bio-basedmaterialswithspecialwettabilityforoil-waterseparationJ.SeparationandPurificationTechnolo
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