低阻纳米纤维界面过渡金属氧化物负载及其选择性吸附催化性能研究

Compare to the traditional polymer microporous membrane, nanofibrous membrane has the advantages of high porosity, great specific surface area and low mass transfer resistance. This project is aiming to realize the selective adsorption, catalysis and gravity-driven filtration removal for heavy metal ions and organic dyes through the construction of low resistance of nanofibrous membrane. The interface stability of the nanofibrous membrane can be enhanced through the in situ polymerization and self-assembly of polyelectrolyte. The stable interface of nanofibrous membrane will be used for the adsorption of precursors, and then the transition metal oxide nanoparticles can be obtained through the in situ growth. Therefore, the heavy metal ions and dyes can be removed through a gravity-driven filtration process. We will firstly discuss the effect of micro/nano composite structure of the nanofibrous membrane and the surface hydrophilic-hydrophobic properties on the mass transfer coefficient. Secondly, we will focus on the effect of surface in situ polymerization and self-assembly of polyelectrolyte on the filtration stability of the nanofibrous membrane. Finally, the in situ loading of transition metal oxides on the surface of nanofibers will be studied, and the effect of gravity-driven filtration, adsorption and catalytic kinetics on the removal performances. The pollutants can be removed with high efficiency through a coupling process of gravity-driven filtration and catalytic reaction. The novelty of this project is the coupling of gravity-driven filtration and catalytic reaction through the surface loading of transition metal oxide nanoparticles on nanofibrous membranes.

纳米纤维膜相对于传统聚合物微孔膜，具有孔隙率高、比表面积大、膜传质阻力小的优势。本项目通过构筑低阻纳米纤维膜，实现对重金属离子和有机染料的选择性吸附、催化及重力过滤去除。具体通过在纳米纤维孔道界面进行原位聚合或层层自组装，提高其纳米纤维膜界面层的稳定性；然后利用稳定纤维界面层吸附过渡金属氧化物前驱体，原位生长过渡金属氧化物纳米粒子；从而实现对重金属离子和染料的重力过滤去除。首先重点研究聚合物纳米纤维膜界面微纳复合结构及亲疏水性对膜传质性能的影响；其次研究纳米纤维表面原位聚合和聚电解质层层自组装对纳米纤维膜界面层稳定性的影响；最终研究过渡金属氧化物纳米粒子在纤维界面的原位负载，并研究重力过滤及其吸附、催化动力学的影响规律。最终通过将重力过滤与催化反应相耦合，研究其对水溶液中污染物的低阻高效去除。本项目创新点在于通过低阻纳米纤维膜的界面过渡金属氧化物修饰，实现重力过滤催化耦合分离。

静电纺纳米纤维膜由于具有大孔径、孔隙率高、比表面积大和传质阻力小的特点，目前被广泛用作各种吸附和催化材料的载体。直接将纳米纤维作为过滤膜的研究和应用相对较少，主要由于纳米纤维膜低的机械强度和高的通量（低的污染物停留时间）。针对上述问题，本项目首先通过静电纺丝、静电喷涂和原位生长的方法，制备了结构和形貌可控的聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维复合膜。其次，通过双亲分子（Span 80）在纳米纤维表面的自组装和蔗糖分子在纤维表面的原位低温碳化，在纤维表面引入涂层增强纳米纤维膜的机械强度。纤维表面涂层的引入，使得纳米纤维膜的拉伸强度相比未改性膜提高2-4倍。另外，通过对PAN纳米纤维膜进行碳化，在保持膜柔性的同时，赋予膜更高的化学稳定性，使膜能够在不同的环境下（例如，酸、碱和有机溶剂等）应用。在此基础上，借助蔗糖和PAN低温碳化产物的还原性，通过原位氧化还原的方式，在室温条件下，成功将二氧化锰（MnO2）和银（Ag）纳米催化剂负载在纳米纤维表面。通过调控氧化剂浓度（KMnO4和AgNO3），可以有效调控MnO2和Ag在纳米纤维表面的负载量。通过上述方法所制备纳米纤维催化膜（cPAN-MnO2和cPAN-Ag），对于溶液中的重金属离子（例如：Pb2+）、染料分子（例如：甲基蓝、亮绿和罗丹明B等）和油类物质（例如：甲苯、十甲基环五硅氧烷D5和氯仿等）展现了优异的去除能力。重金属离子的去除主要得益于蔗糖和PAN碳化产物的强吸附能力。染料分子的去除主要是由于溶液中的羟基自由基的作用，而羟基自由基通过MnO2和Ag纳米催化剂催化分解H2O2产生。另外，由于H2O2分解产生羟基自由基的同时，会产生部分氧气（O2）微气泡。由于O2微气泡的强疏水作用，其可以吸附溶液中分散的各种油类液滴。因此，cPAN-MnO2和cPAN-Ag同时展现了优异的吸附、催化和油类物质去除的性能，为其在各种复杂水体系中的应用提供了可能。