超親水韌性電紡聚乳酸膜在多功能油水分離和自清潔中的應用

DOI：10.1016/j.memsci.2019.117420

超親水材料作為高效油水分離和水凈化的候選材料受到了廣泛的關注，但實現具有超親水性和水下超親油性的環保多功能材料仍然是一個巨大的挑戰和迫切的需求。在本研究中，作者開發了一種可控的方法，通過沒食子酸（GA）和鈦酸四丁酯（Ti （OBu）₄）在水溶液中的羧酸鈦配位鍵，即GA改性TiO₂ （GA-TiO₂）涂層，來實現可生物降解電紡立體復合聚乳酸（sc-PLA）膜的超親水性。GATiO₂涂層的sc-PLA（GT-sc）膜在腐蝕性有機溶劑、飽和NaCl溶液和pH=1的酸性溶液等各種惡劣工作條件下均表現出超親水性和水下超疏水性，對多種油水混合物和水包油乳液均表現出有效的分離性能。GT-sc膜能在重力作用下去除亞甲基藍等水溶性污染物，實現多功能凈水。此外，由于TiO₂在紫外光照射下的光催化性能，GT-sc膜具有優異的防污和自清潔性能。因此，這項工作為制備綠色耐用的多功能油水分離膜提供了一條易于控制的途徑。

圖1.（a）A-sc和GT-sc膜的FTIR光譜。 （b）A-sc和（c）GT-sc膜的照片。

圖2.（a）A-sc膜，（b）TiO₂-sc膜，（c）GA-sc膜，（d）GT-sc膜，（e）GT-sc膜的橫截面，（f）（e）的EDX掃描圖像。比例尺為5μm。 a，b，c和d中的插圖是膜的水接觸角。

圖3.（a）GT-sc膜的水下油CAs對不同類型的溶劑的作用。（b）GT-sc膜在純氯仿中浸泡不同時間后的水CAs和水下氯仿CAs。（c）A-PLLA膜在純氯仿中浸泡1分鐘，（d）GT-PLLA膜在將氯仿水乳劑分離一個循環后的SEM圖像，（e）將A-sc膜浸入純氯仿中1h ，和（f）GT-sc膜將氯仿水乳劑分離十個循環后。超聲處理下，GT-sc膜在（g）飽和NaCl溶液（h）pH=1的酸性溶液中浸泡不同時間后的水CAs和水下氯仿CAs。

圖4.（a）每個循環后，GT-sc膜對不同油水混合物的分離通量。（b）GT-sc膜對各種水包油乳液的水通量和油分離效率。用GT-sc膜分離（c）正己烷/水混合物和（d）氯仿水乳劑的過程照片。（e）GT-sc膜油水分離示意圖。

圖5. （a）原始正己烷水乳劑和（b）分離后收集的過濾水的光學顯微鏡照片。比例尺為10μm。a和b中的插圖為相應的照片。（c）分離后收集的過濾水的DLS數據，插圖為過濾前的原始乳液的DLS數據。

圖6.通過砂紙磨耗測試評估的GT-sc膜的機械阻力。 （a）砂紙磨損的示意圖，在每個循環中，在0.5 N的載荷下，GT-sc膜沿直尺移動了60 cm。 （b）每個磨蝕循環后，GT-sc膜對正己烷-水乳液的水通量和分離效率。 （c）五個磨損循環前后的GT-sc膜照片。在（d）一（e）三和（f）五次磨蝕循環后，GT-sc膜的SEM圖像。插圖是膜的相應的水下正己烷接觸角。

圖7.（a）在每個循環后，由重力驅動的5μM MLB水溶液通過GT-sc膜的吸收光譜和（b）通量和截留率。插圖（a）是MLB水溶液和過濾后的過濾水的照片。（c）在這項工作中由GT-sc膜和報告的膜對MLB水溶液的通量和截留率的比較：澆鑄PVDF膜（PVDF），將溶劑溶解的rGO置于浸泡在HPEI溶液（HPEI / S-rGO）中的尼龍微濾膜上，GO納米片和聚多巴胺通過1,3,5-三氯三羰基三氯甲烷（TMC）交聯（TMC交聯GO），GO分散液和APTES過濾在尼龍微濾膜上（GO -SiO₂），GO分散液和80 wt％的多層碳納米管（直徑10 nm）過濾在聚碳酸酯上（rGO_80MWCNT（10）/ PC）。

圖8.（a）在沒有紫外線且在紫外線照射下的每個循環后，GT-sc膜的油酸水乳液分離效率。插圖是受污染的GT-sc膜對紫外線的暴露過程。 （b）受紫外線照射的時間，受油酸污染的GT-sc膜的水接觸角變化。 （c）FTIR光譜顯示受油酸污染的GT-sc膜與經紫外線輻射處理的染色GT-sc膜之間的化學差異。插圖是被污染和自清潔的GT-sc膜的照片。 （d）舉例說明了GT-sc膜的自清潔行為以及GA-TiO₂納米粒子在紫外光下的光催化機理。