简易方法制备微纳结构的ZIF-8高效油水分离膜!
中国科学材料 纳米人 2018-10-08

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第一作者:宋明秋

通讯作者:薛铭

通讯单位:吉林大学

 

研究亮点:

1. 以金属网为载体, 成功地制备出表面具有微纳结构的ZIF-8分离膜, 该膜显示出优异的水下超疏油性能。

2. 制备的ZIF-8分离膜, 可以高效地分离多种油水混合物, 油水分离效率高达99.99%, 同时具有较高的水通量10.2×104 L m−2 h−1, 以及耐压性。

 

由于石油、钢铁、纺织等工业的含油废水排放,以及频繁的溢油事故,石油污染已成为全球重要的环境和经济问题。研究高效油水分离材料和技术具有重要的科学意义和应用价值。

 

传统的油水分离方法(离心法、吸附法、浮选法等)能耗高、占地面积大、用时长、分离效率低。近年来,膜分离技术不断发展,是当前对含油污水进行处理的有效技术,其具有分离设备简单、能耗低的优点。随着仿生学的研究发展,人们从荷叶、鱼鳞等自然结构中不断受到启发,超疏水膜,水下超疏油膜等逐步成为研究热点。

 

然而,常用的有机膜在高温环境,或者接触各种有机溶剂后,会降低其油水分离性能,而多数无机膜的制备工艺又比较复杂。因此,如何用简单的方法,构筑稳定的微纳结构,实现高分离率和高通量性能,并可大面积制备的油水分离膜仍然是个挑战。

 

有鉴于此,吉林大学薛铭研究团队以金属有机骨架材料(MOF)这类新型晶体材料为研究对象,在常温常压条件下,以不锈钢网为载体,成功地制备出ZIF-8分离膜。

 

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方案1 具有水下超疏油性ZIF-8涂覆的网状膜合成示意图

 

由于ZIF-8膜的表面具有粗糙的微纳结构(图1a−c),显示出优异的水下超疏油性能。在水中时,水分子优先被捕获到膜表面的MOF微纳结构中,形成连续的水层,这层液膜允许水相靠重力快速通过,而对油相产生强的排斥力,从而实现高效油水分离。



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图1 网状膜的SEM图

 

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图2 不锈钢网裸线和涂有ZIF-8后的AFM图

 

该MOF分离膜可以高效地分离多种油水混合物,油水分离效率高达99.99%,水中残油量低于4 ppm,同时该膜具有较高的水通量10.2×104 L m−2h−1,以及很好的耐压性6400 Pa。

 

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图3 ZIF-8涂层网膜的特殊润湿性

 

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图4 油水分离过程的照片

 

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图5 ZIF-8涂层网膜的油水分离性能

 

进一步研究发现,即使经过200℃的高温处理、以及多种常见有机溶剂(四氢呋喃、N,N’-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二氯甲烷和正己烷)浸泡,该MOF膜仍然保持接近水下超疏油的性能,并且可以循环多次使用。

 

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图6 ZIF-8涂层网膜的稳定性和可回收性

 

基于简单的制备方法和便宜易得的原材料,该类MOF膜很容易实现大面积制备,可以进行连续地大量的油水分离,这对于油水分离的实际应用至关重要。

 

参考文献:

Mingqiu S, Yuxin Z, Shanjun M, et al. A stable ZIF-8-coated mesh membrane with micro-/nano architectures produced by a facile fabrication method for high-efficiency oil-water separation[J]. SCIENCE CHINA Materials, 2018.

DOI: 10.1007/s40843-018-9345-3

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCMs/doi/10.1007/s40843-018-9345-3?slug=full%20text

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