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曹宏斌研究员团队提出绿色制备PTFE中空纤维膜新方法
中国科学院过程工程研究所 / 时间:2019-10-14 15:55:08

  据中科院过程工程所2019年10月12日讯 近日,中国科学院过程工程研究所提出以乳液静电纺丝的方法制备一种基于纳米纤维组装的新型聚四氟乙烯(PTFE)中空纤维膜。相对于传统机械拉伸法制备的PTFE中空纤维膜,该膜兼具纳米纤维膜(高孔隙率)和中空纤维膜(自支撑性和高装填密度)的优点,整个制膜过程无需使用有机溶剂和润滑剂,实现了PTFE中空纤维膜绿色制备和膜性能的新突破。
  PTFE以其优异的耐腐蚀性、热稳定性和疏水性而被认为是一种理想的疏水膜材料,但是其难被溶解,熔融流动性差,难以进行加工。目前PTFE中空纤维膜的唯一加工方法是机械拉伸法,但是该方法所制备的膜孔隙率低,严重制约了分离过程的效率。
  过程工程所曹宏斌研究员团队提出以水溶液粘度高、易于热分解的聚氧乙烯(PEO)作为粘结剂和PTFE颗粒混合成水性纺丝液,以非旋转线电极作为连续化制备的接收器。PEO包覆PTFE颗粒在高电压下被拉伸成PTFE/PEO混合纳米纤维,沉积在线电极上形成初始膜。在一定温度下烧结后,初始膜中的PEO分子被完全分解,PTFE颗粒之间熔融成纳米纤维并通过纤维节点粘结组装成目标PTFE中空纤维膜。
  该膜在膜蒸馏应用中蒸汽通量达到商业PTFE中空纤维膜的4.6~8.8倍、文献报道的3.2~11.6倍。纤维的微-纳多级结构赋予该膜超疏水性,在长时间和盐度不断升高的膜蒸馏实验中表现出高而稳定的脱盐性能,表明其在海水淡化、高盐废水处理等领域具有良好的应用前景。
  相关成果发表在国际膜科学领域TOP期刊Journal of Membrane Science上(J. Membr. Sci. 2019, 583, 200-208),被中国膜工业协会官网、科学网、搜狐网等媒体转载报道。


曹宏斌研究员团队提出绿色制备PTFE中空纤维膜新方法

(A) 制备过程和原理,(B) 膜的横截面, (C) 表面电镜图,(D) 照片显示膜的自支撑性,(E) 组件。


  过程工程所环境资源化技术与工程课题组近年在纳米纤维膜的功能/性能强化和规模化制备方法上进行了系列研究。为了提高纳米纤维膜的装填密度,研究人员首先提出了将纳米纤维组装成中空膜结构(Mater. Lett. 2017, 204, 8-11.);基于对纺丝过程中纳米纤维运动轨迹的分析,开发了纳米纤维中空膜规模化静电纺丝的新技术和理论(J. Membr. Sci., 2018, 562, 38-46),该膜被成功应用于废水氨回收且表现出较高选择性和通量(Sep. Purif. Technol. 2019, 216, 136-146.);提出了快捷、广谱的调控纳米纤维膜孔径分布和机械强度的新焊接方法(C Su, et al. J. Membr. Sci.,2019);利用增材制造的原理层层沉积纳米纤维和微米团簇,提高了膜的抗结垢性能(C Su, et al. Environ. Sci. Technol.2019)。
  以上工作得到国家自然科学基金以及国家重点研发计划等项目的支持。

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