多孔聚丙烯腈基纤维膜的制备及其水净化性能研究

作     者：柴鹏 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：颜录科

授予年度：2023年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：聚丙烯腈 静电纺丝 多孔结构 高通量分离 光催化 

摘      要：淡水资源短缺已成为当今社会面临的一个全球性问题,光催化降解和膜分离相结合已成为水净化的重要途径。在众多制膜方法中,静电纺丝纤维膜具有制备工艺简单、成本低、纤维结构可调等优点,是一种具有良好发展前景的水净化材料。近年来,用于含油废水处理的纤维膜大多由致密纤维交织组成,导致分离通量较低;用于光催化处理水中污染物的纤维膜因催化剂部分甚至全部被包裹在纤维内部,导致降解效率降低。此外,纤维膜还存在功能单一和力学性能差等缺点。针对以上不足,本文将在纤维上引入多孔结构,并掺杂功能性材料,实现复杂废水的高效净化。本论文主要研究内容如下:(1)将聚丙烯腈(PAN)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)通过溶液共混经静电纺丝制备PAN/PVP纤维膜,然后经水浸渍处理得到多孔聚丙烯腈(PPAN)纤维膜。通过一系列结构表征与性能测试,确定PAN与PVP最佳质量比为1:2。傅里叶变换红外光谱、热重分析表明PVP溶解是纤维上多孔结构形成的原因。X射线光电子能谱结果证明多孔纤维膜中PAN与PVP分子间存在相互作用力。润湿性测试与拉伸测试证明了以最佳比例制备的多孔纤维膜具有优异的润湿性和力学性能。此外,纤维上孔隙的形成,使得该纤维膜在对正己烷/水混合物分离时表现出超高的通量(46318±3879 L mhbar)和效率(96.01±0.38%);而且10次循环分离后,膜通量损失率仅为8.9%,具有良好的可持续分离性能。(2)受自然启发,在以上研究基础上进一步将溶剂热法合成的石墨相氮化碳(g-CN)引入PPAN纤维膜中,制备得到PPAN@g-CN纤维膜。PVP承担了造孔剂的任务,为废水净化提供了额外的通道,纤维膜对甲苯/水混合物(63427±1180 L m h bar)和水包甲苯乳状液(103689±13286 L m h bar)均具有出色分离性能。g-CN承担了光催化降解各种污染物的任务,纤维的多孔结构增加了g-CN光催化活性中心的暴露,促进了光吸收,增强了光催化。PPAN@g-CN纤维膜对不同种类的污染物均表现出优异的光催化性能,其中对染料的降解效率接近100%,且连续7次循环降解Rh B后,效率仍保持95%以上,同时,抗菌效率达87%以上。这项工作将为构建用于高通量废水净化的先进分离膜提供一个远景策略。