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基于二维MXene-纤维素纳米晶的超薄复合纳滤膜用于印染废水分盐

文章出处:人气: 发表时间:2021-04-09 00:00

  印染废水中染料与无机盐的分离回收,是推动印染行业清洁生产和资源循环的关键。二维MXene纳米片,如Ti₃C₂Tₓ,因其高电导率、亲水性表面和机械柔性,已成为制备高性能分离膜的热点材料。纯MXene膜因其层间距较窄,通量不高,且在水溶液中长期运行可能发生层间溶胀,导致选择性下降。纤维素纳米晶(CNCs)是从天然纤维素中提取的棒状纳米粒子,具有极高的纵横比、优异的亲水性和水分散性,且表面带有负电荷。本研究利用带负电的CNCs作为“纳米插层柱”和层间通道“润滑剂”,嵌入MXene层间。一方面,CNCs增大并固定了MXene的层间距,允许水分子和一价盐离子快速通过;另一方面,其表面的负电荷增强了对硫酸根和染料阴离子的静电排斥,从而显著提升通量和分盐选择性。

  制备的MXene/CNCs复合膜,纯水渗透通量可达120 L/(m²·h·bar),是纯MXene膜的3倍。在纳滤分盐实验中,该膜对活性黑5染料的截留率高达99.8%,对Na₂SO₄的截留率>95%,而对NaCl的截留率仅为<15%,展现出极为优异的染料/一价盐分离能力。甚至在处理复杂的真实印染RO浓水时,该膜在10bar操作压力下运行168小时,渗透通量和选择性均保持了良好的稳定性,未发生溶胀或染料粘附导致的严重污染。

  表征和模拟结果揭示了其高选择性分离的根源。SAXS和XRD证实CNCs的插层将MXene层间距从0.35nm精准扩大至0.68nm,这一尺寸正好允许水合Na⁺和Cl⁻离子自由通过,而将水合SO₄²⁻和尺寸更大的染料分子截留在外。同时,CNCs表面密集的磺酸根和羟基提供了强大的静电排斥屏障。该研究成功地将一维和二维纳米材料进行协同组装,实现了膜结构与功能的精确调控,为制备高通量、高选择性的下一代分盐纳滤膜提供了创新的材料平台。

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