DOI: 10.1021/acsami.0c08504
構建具有高通量和節能特性的理想的多孔膜以凈化含亞微米級污染物，特別是病原微生物的水具有重大意義，但這仍然是一項巨大的挑戰。在此，研究者展示了一種簡便的方法，可通過非溶劑誘導的相分離來構建具有連續纖維素Voronoi-納米網結構的新型膜。該方法通過控制溶劑-非溶劑相互擴散過程，使纖維素Voronoi-納米網能夠與電紡納米纖維基材緊密結合。所得膜具有小孔徑（0.23μm）、高孔隙率（90.7％）、良好的互連性和超薄的厚度（約600 nm，比常規微濾膜薄兩個數量級）。結果顯示，在極低的驅動壓力下（≤20 kPa），所制備的膜可以有效地攔截亞微米顆粒（約0.3μm），具有出色的截留率（＞99.80％）和超高的滲透通量（最大8834 L m-2 h-1）。更重要的是，該膜具有顯著的細菌抑制率，其對數減少值（LRV）為8.0（克服了以往LRV＜7的局限性）以及優異的防污功能。這種多功能膜的成功制備為開發下一代高性能分離材料提供了新的思路。
圖1.（a）纖維素Voronoi-納米網膜的制備過程示意圖。（b）纖維素Voronoi-納米網膜（在25℃下，由凝固浴制成的M-C8作為樣品）的表面SEM圖像。（c）再生前（脫脂棉）和再生后纖維素的XRD圖譜。（d）纖維素Voronoi-納米網膜（在25℃下，由凝固浴制成的M-C8作為樣品）的橫截面圖像。（e）Voronoi-納米網結構形成的示意圖。
圖2.在（a）10℃、（b）25℃、（c）40℃和（d）55℃（纖維素濃度為0.004wt％）下，由凝固浴制備的纖維素Voronoi-納米網層的SEM圖。（e）由相應的凝固浴制備的膜的孔徑分布和（f）孔隙率。（g）在不同溫度（a.10℃，b.25℃，c.40℃和d.55℃）下，由凝固浴制備的再生纖維素的XRD圖譜。（h）由相應的凝固浴制備的膜的拉伸應力-應變曲線。
圖3.由濃度為（a）0.002wt％、（b）0.004wt％、（c）0.008wt％和（d）0.016wt％的稀纖維素溶液制備的纖維素Voronoi-納米網層的SEM圖像。（e）纖維素-DMAc/LiCl-水系統的示意性相圖，顯示了不同濃度纖維素溶液的組成路徑。（f）不同濃度纖維素溶液的粘度。示意圖說明了（g）孤立、（h）纏結和（i）高度纏結的纖維素鏈與Voronoi-納米網結構之間的關系。（j）由不同濃度纖維素溶液制備的膜的孔徑分布、（k）孔隙率和（l）拉伸應力-應變曲線。
圖4.（a）在測試時間內膜的純水通量，外部驅動壓力為5 kPa。（b）截留率（插圖為微濾后M-C8的SEM圖像），以及（c）由不同濃度纖維素溶液制備的膜的滲透通量（驅動壓力5 kPa）。（d）3D模型顯示水流穿過不同結構的膜的壓力場。（e）在不同的外部驅動壓力下，M-C8的滲透通量和截留率。（f）比較Voronoi-納米網纖維素膜和當前微濾膜之間的相對滲透通量和驅動壓力。（g）在5 kPa的驅動力下M-C8的循環過濾性能。（h）錯流過濾過程中M-C8的滲透通量和截留效率。
圖5.（a）M-C8、PA66 NFM和Millipore GSWP對大腸桿菌的滲透通量和LRV。（b）過濾大腸桿菌后（低細菌濃度）M-C8的SEM圖像。（c）與大腸桿菌孵育后，PA66 NFM（左）和M-C8（右）的SG染色熒光圖像。（d）纖維素Voronoi-納米網膜的防污機理示意圖。（e）M-C8的LRV與含大腸桿菌水的過濾量的函數關系（插圖是使用注射器過濾器過濾大腸桿菌混合物的照片）。（f）選定的微濾膜的LRV和滲透通量。
