過程工程所提出新型聚四氟乙烯中空纖維膜製備方法

2020-11-29 中國科學院

　　近日，中國科學院過程工程研究所提出以乳液靜電紡絲的方法製備一種基於納米纖維組裝的新型聚四氟乙烯（PTFE）中空纖維膜。相對於傳統機械拉伸法製備的PTFE中空纖維膜，該膜兼具納米纖維膜（高孔隙率）和中空纖維膜（自支撐性和高裝填密度）的優點，整個制膜過程無需使用有機溶劑和潤滑劑，實現了PTFE中空纖維膜綠色製備和膜性能的新突破。

　　PTFE以其優異的耐腐蝕性、熱穩定性和疏水性而被認為是一種理想的疏水膜材料，但是其難被溶解，熔融流動性差，難以進行加工。目前PTFE中空纖維膜的唯一加工方法是機械拉伸法，但是該方法所製備的膜孔隙率低，嚴重製約了分離過程的效率。

　　過程工程所研究員曹宏斌團隊提出以水溶液粘度高、易於熱分解的聚氧乙烯（PEO）作為粘結劑和PTFE顆粒混合成水性紡絲液，以非旋轉線電極作為連續化製備的接收器。PEO包覆PTFE顆粒在高電壓下被拉伸成PTFE/PEO混合納米纖維，沉積在線電極上形成初始膜。在一定溫度下燒結後，初始膜中的PEO分子被完全分解，PTFE顆粒之間熔融成納米纖維並通過纖維節點粘結組裝成目標PTFE中空纖維膜。

　　該膜在膜蒸餾應用中蒸汽通量達到商業PTFE中空纖維膜的4.6～8.8倍、文獻報導的3.2～11.6倍。纖維的微-納多級結構賦予該膜超疏水性，在長時間和鹽度不斷升高的膜蒸餾實驗中表現出高而穩定的脫鹽性能，表明其在海水淡化、高鹽廢水處理等領域具有良好的應用前景。

　　相關成果發表在國際膜科學期刊Journal of Membrane Science上（J. Membr. Sci. 2019, 583, 200-208），被中國膜工業協會官網、科學網、搜狐網等媒體轉載報導。

　　過程工程所環境資源化技術與工程課題組近年在納米纖維膜的功能/性能強化和規模化製備方法上進行了系列研究。為了提高納米纖維膜的裝填密度，研究人員首先提出了將納米纖維組裝成中空膜結構（Mater. Lett. 2017, 204, 8-11.）；基於對紡絲過程中納米纖維運動軌跡的分析，開發了納米纖維中空膜規模化靜電紡絲的新技術和理論（J. Membr. Sci., 2018, 562, 38-46），該膜被成功應用於廢水氨回收且表現出較高選擇性和通量（Sep. Purif. Technol. 2019, 216, 136-146）；提出了快捷、廣譜的調控納米纖維膜孔徑分布和機械強度的新焊接方法（C Su, et al. J. Membr. Sci., 2019）；利用增材製造的原理層層沉積納米纖維和微米糰簇，提高了膜的抗結垢性能（C Su, et al. Environ. Sci. Technol. 2019）。

　　以上工作得到國家自然科學基金以及國家重點研發計劃等的支持。

(A) 製備過程和原理， (B) 膜的橫截面和 (C) 表面電鏡圖，(D) 照片顯示膜的自支撐性，(E) 組件。

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