近年來，隨著水資源短缺和水污染問題的日益加重，研發(fā)各種水處理技術(shù)或新型過濾材料迫在眉睫。其中，膜分離技術(shù)具有操作簡單、設(shè)備要求低、分離效率高等優(yōu)勢，已成為當(dāng)今分離科學(xué)中最重要的手段之一。目前，盡管商業(yè)化的各種水處理過濾膜在生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用，但是仍然存在一些需要解決的問題。例如，一些過濾膜材料存在生物相容性差、制備過程使用或產(chǎn)生有害化學(xué)物質(zhì)、分離效率不理想等缺點。此外，很多過濾膜功能單一，在實際應(yīng)用中往往需要通過多級過濾系統(tǒng)聯(lián)合使用來提高水處理效率，但這無疑會使水處理設(shè)備更加復(fù)雜化而隨之增加成本。因此，環(huán)境友好、多功能和更高效的過濾材料的研究引起人們極大的關(guān)注。
最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員帶領(lǐng)的科研團隊，在羥基磷灰石超長納米線應(yīng)用于環(huán)境保護領(lǐng)域研究工作的基礎(chǔ)上 (Small, 2018, 14, 1803387; I.F.=9.598; Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 17482–17491; I.F.=9.931)，以具有良好生物相容性的羥基磷灰石超長納米線作為主要構(gòu)建材料，與天然植物纖維復(fù)合，成功研制出新型水凈化過濾紙，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在美國化學(xué)會“應(yīng)用材料與界面”期刊上(Qiang-Qiang Zhang, Ying-Jie Zhu*, et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 4288–4301; I.F.=8.097)。
羥基磷灰石超長納米線與天然植物纖維的復(fù)合使新型水凈化過濾紙的力學(xué)強度得到顯著提高，而聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂的加入使得新型水凈化過濾紙的濕態(tài)力學(xué)強度得到有效增強；羥基磷灰石超長納米線相互交織纏繞形成納米級多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可顯著提高新型水凈化過濾紙的孔隙率并可調(diào)控孔徑大小，賦予其優(yōu)異的超親水性、表面攔截和吸附能力，使其具有優(yōu)異的分離性能，可有效去除水中的各種污染物，且去除效率高；而羥基磷灰石超長納米線本身良好的吸附和離子交換性能使其能夠高效去除有機染料和重金屬離子等污染物。該新型水凈化過濾紙兼具優(yōu)異的過濾性能和吸附性能，能夠重復(fù)使用和長時間使用，在高性能水凈化、清潔水再生等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
制備的不同含量羥基磷灰石超長納米線新型水凈化過濾紙
新型水凈化過濾紙的純水通量與羥基磷灰石超長納米線含量和工作壓力的關(guān)系
實驗結(jié)果表明，新型水凈化過濾紙的純水通量隨著羥基磷灰石超長納米線含量的增加而提高，當(dāng)羥基磷灰石超長納米線的含量為80 wt.% （添加聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂）時其水通量高達(dá)287.28 L m–2 h–1 bar–1，與高打漿度植物纖維過濾紙（添加聚酰胺環(huán)氧氯丙烷樹脂）相比純水通量可提高約3200倍。新型水凈化過濾紙可應(yīng)用于微米顆粒、納米顆粒、細(xì)菌等污染物的高效過濾和去除，其去除效率可達(dá)到或接近100%。此外，新型水凈化過濾紙對有機染料和重金屬離子尤其是Pb2+離子具有高吸附量，對較低濃度的有機染料和重金屬離子具有100%的去除效率。
新型水凈化過濾紙對TiO2和SiO2納米顆粒的分離性能和過濾紙循環(huán)使用效果
新型水凈化過濾紙對飲用水中細(xì)菌的分離去除和循環(huán)使用效果
該科研團隊發(fā)展了油酸鈣前驅(qū)體水熱法并結(jié)合真空抽濾成型方法制備大尺寸新型水凈化過濾紙，目前科研團隊已經(jīng)在實驗室實現(xiàn)了羥基磷灰石超長納米線的100升反應(yīng)釜放大制備技術(shù)，該方法環(huán)境友好，具有批量化生產(chǎn)的潛力。新型水凈化過濾紙是羥基磷灰石超長納米線在環(huán)境保護領(lǐng)域應(yīng)用的又一個新的研究進展。
相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金等資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b20703
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