含有银纳米粒子的POMPLLA复合材料的制备及性能研究外文翻译资料

6. 电纺膜在水处理上的应用

近来，对膜蒸馏（MD）工艺给予了更多的关注，特别是对于脱盐，水回收和水/废水处理，但不幸的是，该方法还没有在工业上大规模使用。没有大规模引入的最重要的原因是膜蒸馏（MD）方法缺乏新型和特异性膜。然而，在检查废水处理应用的细节之前，必须强调膜选择的标准。

6.1 膜选择的标准

为了确保过滤过程的效率，选择合适的膜是必要的。其中与膜相关的一些关键参数，取决于系统中使用的进料流体的特性。主要取决于孔尺寸，孔隙率，表面能，以及膜的性质，无论其是疏水性的还是亲水性的。图11为进一步应用于废水处理的合适的膜的选择典型流程图。其中，化学相容性，孔径和接触角被认为是选择膜应用的主要标准。

图11 水处理过程中膜选择的主要标准

6.1.1 接触角

当小液滴停留在固体表面上时，液体-蒸汽界面与固体表面形成接触角，或者固体上液滴的切线轮廓形成接触角。这是通过液体的表面张力和粘附力对固体润湿性的定量测量，还可以确定固体表面的疏水性或亲水性特征。接触角用于表征表面粗糙度、迁移率和异质性。

当液体滴在固体表面上时，考虑两种极端情况，同时测量其接触角，接触角范围为0°到180°。如果液滴牢固地附着于亲水性固体，则液体完全展开在固体表面上，并且接触角在0-30°范围之间，或者在固体表面上形成液体薄膜（意味着高度亲水性）。然而，亲水性较小的固体将具有约90°的接触角。另一方面，如果液滴弱附着到固体表面，则接触角将高于120°，或者液体在固体表面上形成球体，其可以称为高疏水性。为了使不同的接触角的膜具有更好性能，表8总结了接触角随疏水性/亲水性的变化。

表8 膜的性质随接触角的变化

6.1.2 孔径

孔径是确定应用的另一个重要因素。膜技术基本上是利用孔径分布物理分离颗粒的微孔技术。它类似于其他技术，如超/纳米滴定和反渗透；然而，唯一的区别在于保留的颗粒的尺寸以及渗透压。表9描述了孔尺寸在确定应用中的作用。因此，对电纺纳米多孔膜的孔径进行进一步分析，可以容易地得到其在膜分离技术中的特定应用。

然而，用于膜蒸馏（MD）的大多数膜是商业制造的，用于膜扩散（MF：微滴定）并由疏水性聚合物组成。在这方面，电纺纳米双金属膜已经显示出可以用于膜蒸馏（MD）工艺的令人信服的特征。纳米双金属膜可直接用于膜蒸馏，因为纳米纤维垫通常表现出高表面疏水性。

表9膜孔径在各种废水中的应用

6.1.3孔隙度和表面粗糙度

在本节中，讨论了次要标准的重要性，如孔隙率和表面粗糙度。纳米双膜的高孔隙率和相互连通的开放孔结构特征可潜在地增强膜蒸馏过程。通常，电纺膜的每单位面积的高孔隙率使其成为扩散过程的强有力的助力。基于其厚度，孔隙率和表面粗糙度，纳米双金属膜可用于水处理。然而，与商业滤纸相比，电纺丝膜具有大的孔隙率。表10显示Zhou等人对孔隙度研究，其中将电纺醋酸纤维素膜与商业滤纸进行比较。根据所提供的数据，可以说纳米非磁性膜具有高度多孔结构（多于85％的孔隙率），这有利于液体的渗透。

表10孔隙率和比表面积的比较研究[注释：改编自参考文献107]

表面粗糙度是膜选择标准的另一个次要因素。表面粗糙度的增加会影响膜的疏水性。最近，有研究表明PVDF / G（结合石墨烯）静电纺丝纳米双金属膜与PVDF纳米材料相比具有更高的表面粗糙度，而较高的表面粗糙度是通过增加与周围的接触角从而影响膜的疏水性。

虽然在2000年对膜应用只进行了水分离应用的研究，然而，许多研究已经证明了电纺膜作为独立的扩散材料的可行性和选择性。各种材料（例如：通常用于水渗透膜的聚醚砜（PES）、纤维素和聚偏二氟乙烯（PVDF））已经被电纺丝，以形成非织造的纳米双层膜。当然，电纺膜的要求取决于目标液体渗透应用。

在这篇综述文章中，已经基于一些关键的废水处理技术提出了彻底的研究，并且已经显示电纺膜如何在水净化技术中起关键作用。

6.2 脱盐

海水淡化是克服全世界对水的更高需求的有效过程。因此出现了各种脱盐技术，其包括反渗透（RO），膜蒸馏（MD），冷冻脱盐（FD），离子交换和纳米滴定（NF）。由于其通量，纳米双金属膜目前正在作为脱盐的潜在膜进行研究。

以前传统的中间层已经被电纺纳米多孔膜所取代; 然后涂覆上不同的层，并且最终形成薄膜纳米复合材料（TFNC）膜。目前，已经观察到TFNC膜的复合速率和拒油率（水包油乳液）高于市售NF膜的复合速率和拒油率百分比。为了使电纺纳米多孔膜作为直接扩散介质具有更好的性能，可以将电纺丝聚合物膜用作下一代薄膜复合材料（TFC）（UF / NF / RO）膜的支撑层。薄膜复合（TFC）膜包括三个基本层，其包括顶部超薄选择性层，中间多孔支撑层和底部非织造织物层。最近，应用电纺丝作为支撑层的TFC膜已经引起了全世界的关注。

6.2.1 膜蒸馏

膜蒸馏是其中使用膜来分离咸水和纯水（作为渗透物）的方法。其中有一些参数影响膜蒸馏（MD）过程的速率和效率，同时孔隙率、孔径和弯曲度也影响水蒸汽通过膜并形成渗透物的容易程度。若膜本质上是疏水的或甚至超疏水的，那么这种膜用于膜蒸馏（MD）应用。通常，MD是通过热驱动分离，其中的纯水可以从污染源例如盐水（例如海水，微咸水，或甚至含有非挥发性杂质的废水样品）中分离。

最近，Su，Shih等人证明了电渗透膜在盐析率方面的效率。表11表示海水淡化过程中的盐析率％。数据表明PVDF-co-HFP（HFP：六氟丙烯），并且发现PVDF电纺膜获得99.9901％和99.9888％。PTFE的脱盐率为99.9951％。PVDF-co-HFP的盐阻挡性优于PVDF电纺膜的盐阻挡率，并且几乎与PTFE商业膜的相同。

表 11不同膜的盐析率％的比较研究[表格参考文献115]

当在膜蒸馏中使用电纺膜时，其应当能够保持进料和渗透物之间的分离。因此，优选超疏水膜，因为它被认为是最好的能够保持水分离的膜。在最近的研究中，与平滑的纤维膜相比，珠状纤维显示出更大的水接触角。通常利用电纺丝聚（偏二氟乙烯）（PVDF）纳米纤维膜进行水分离效率分析。作者研究了PVDF从珠粒到光滑的膜的性能，以满足用于膜蒸馏（MD）过程。其中，珠状纤维显示出较高的水接触角，而平滑纤维的通量好于珠状织物，这可能是因为珠状纤维的空隙体积分数较小。

通常，电纺膜的缺点是低的液体入口压力，这可能导致孔随时间不断润湿。为了克服孔隙润湿的这个问题，Prince等人使用由亲水性纳米纤维为基底（与渗透物一起），流延膜为中间层和电纺PVDF为顶层（与进料一起）组成的三层膜。就MD方法而言，尤其是对于脱盐和废水处理应用，该技术尚未在工业规模上使用，其最主要的原因是缺乏用于MD应用的新型和特异性膜。在MD方法中使用的膜必须要在它们使用之前确保一些重要的规格，它们必须是疏水的，高度多孔的，具有高的液体入口压力（LEP），良好的热/化学/机械稳定性和耐久性。

6.2.2 超滤/纳米过滤

电纺膜的大孔径使得其不适合低于微量过滤水平的过滤工艺。然而，在超滤和纳米过滤技术中，电纺膜通常用作膜分离膜的支撑层。该支撑层突出以防止在高水压下膜层破裂，同时允许水流过膜层。电纺膜的优点是小直径的纤维中的大孔径减小了对流过膜的液体的阻挡，这改善了其通量，同时该薄膜提供了分离功能。当它们用于压力驱动的膜工艺时，可以利用电纺纳米纤维膜具有较高的亲水性和较低的表面粗糙度。

最近，K.Yoon等人的三层复合膜的新概念已经被引入，其包含水可渗透的（非壳聚糖），电纺纳米支持物（PAN）的“非泡”亲水涂层，和无纺微纤维基材（PET）。这个概念在图12中有系统地表示，该过程中所应用的制造膜似乎在超滤技术中是有效的，因为该膜在自然界中具有高通量和低污染。

超滤膜可以通过在电纺丝膜上用分离材料流延涂覆来制造。 Wang等人使用电纺丝来制造聚乙烯醇（PVA）基底，随后交联以改善膜的结构稳定性和机械强度。

孔径和孔径分布的量化是评估来自给水的排除率的关键因素之一。换句话说，孔径分布表明膜是否具有从进料流中除去微生物/重金属/颗粒/化学品的能力。然而，也存在基于膜的表面电荷和进料流的电荷分布的另一个标准，例如，当带负电的膜用于排斥带负电荷的分子时，膜和溶质之间的电荷相互作用可能在溶质排斥中起主要作用。因此，在这些条件下膜的标称分子量截留值（MWCO）不再是溶质排斥的指标。通常，各种膜的标称MWCO值由制造商提供，其通常通过具有平均相对分子质量的PEG的排斥试验计算。如图13所示，各种膜已经在废弃率方面区分，其中这清楚地表明与商业NF纤维和PAN膜相比，电纺中间层PAN：聚丙烯腈（3级膜）的较高的盐阻留率。

图12 三层概念，制造高通量和低污染的超滤膜。[注：通过参考的数字绘制和修改]

超过排斥率通量是其应用的另一个关键标准。Yoon等人表明在24小时操作后，基于静电纺织膜的渗透物保持稳定，而商业超滤膜（PAN 10）经历严重的通量下降。表12表示了各种膜的比较通量的研究，其中已经观察到电纺丝基膜的通量比商业膜的通量高12倍。

表12 各种膜的通量研究