聚乳酸电纺纤维膜的油水分离性能_胡婷婷.pdf

2023,Vol.37,No.1科技进展收稿日期:20220309基金项目:合肥工业大学大学生创新训练计划项目(202010359036)作者简介:胡婷婷(1999),女,本科在读,E-mail:;通信作者:杨文(1973),女,博士,副教授,研究方向:功能性高分子材料的制备及应用doi:10 16597/j cnki issn 1002154x 2023 01 003聚乳酸电纺纤维膜的油水分离性能胡婷婷 王强英 赵志朋 李旭峰 王 鹏 韩贵方 杨 文(合肥工业大学 化学与化工学院,安徽 合肥 230009)摘 要 采用静电纺丝法,制备了聚乳酸(PLA)电纺纤维膜。通过扫描电子显微镜、接触角测试仪等表征了 PLA 电纺纤维膜的纤维结构和水接触角,并研究了其油水分离性能。结果表明 PLA 可纺性好,电纺纤维膜为由光滑的微纤维组成的三维多孔网络结构,纤维直径 1 2 m,纤维膜孔径为 3 10 m 且分布较均匀。PLA 电纺纤维膜的水接触角可达 136以上,具有良好的疏水性。PLA 电纺纤维膜对油水混合物的分离效率可达 98.3%以上,最大分离通量约15 000 Lm-2h-1。关键词 聚乳酸 电纺纤维膜 疏水性 油水分离中图分类号:TQ323.4 文献标志码:AOil-water Separation Performance of Polylactic AcidElectrospun Fiber MembraneHu Tingting Wang Qiangying Zhao Zhipeng Li Xufeng Wang Peng Han Guifang Yang Wen(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hefei University of Technology,Anhui Hefei 230009)Abstract Polylactic acid(PLA)electrospun fiber membrane was prepared by electrostatic spinning.The fiberstructure and water contact angle of PLA electrospun fiber membrane were characterized by scanning electronmicroscope and optical contact angle meter,and the oil-water separation performance of PLA electrospun fibermembrane was tested.The results showed that PLA had good spinnability.The electrospun fiber membrane wascomposed of smooth microfibers,which formed a three-dimensional porous network.The fiber diameter was 1 2 m,and the pore size was 3 10 m,having an uniform distribution.The water contact angle of the PLA electrospun fibermembrane was more than 136,which was indicated a good hydrophobicity.The separation efficiency of PLAelectrospinning fiber membrane for oil-water mixture is above 98%,and the maximum separation flux was about15 000 Lm-2h-1.Keywords polylactic acid electrospun fiber membrane hydrophobic oil/water separation 含油废水已成为环境污染的主要原因之一,严重危及生态系统。工业生产、石油泄漏和日常生活都会产生大量含油废水,其中每年由石油泄漏产生的废水就达到约 4 106t1,给海洋、河流、土壤和地下水等造成污染。由于其严重的负面影响,研究人员努力开发可持续性解决方案以处理含油废水。膜分离技术因其成本低、占地面积小、操作简便、分离效率高等优点,被认为是处理含油废水的有效方法2 10。目前,已有无机纤维膜(包括金属纤维膜、碳纳米管纤维膜和无机氧化物纤维膜)和有机纤维膜(包括01第 37 卷第 1 期Vol 37,No 1化工时刊Chemical Industry Times2023 年 2 月Feb.2023 胡婷婷 等.聚乳酸电纺纤维膜的油水分离性能2023,Vol.37,No.1织物纤维膜、电纺纤维膜和天然纤维膜等)被大量报道用于油水分离11。其中,聚合物电纺纤维膜在近年来引起了研究者们的兴趣。王循等12对聚合物电纺纤维膜在油污染处理方面的应用进行了总结。他们指出,聚合物电纺纤维膜在高效吸油和过滤分离油水混合物方面都有很高的应用价值。谷英姝等13对聚乳酸(PLA)电纺纤维膜的应用研究进行了细致总结,指出现有的膜大多以石油基聚合物为原料,有可持续性差、存在潜在的环境污染等缺点,十分有必要寻求以PLA 为代表的生物可降解聚合物来制作电纺纤维膜,并用于油水分离。PLA 电纺纤维膜在油水分离方面的研究主要集中在 2015 年至今14 27,比如,Nugraha 等14利用WO3和含氮碳量子点改性 PLA 电纺纤维膜。在分离正己烷-水混合物时,这种膜的分离通量可以达到约8 320 Lm-2h-1。Eang 等15在 PLA 电纺纤维中引入烷基烯酮二聚体,提高了纤维膜的疏水性,并进而提升了 PLA 纤维膜对柴油、食用油和润滑油的吸附能力。Dai 等26用 ZIF-8 纳米粒子改性 PLA 后进行电纺,所得纤维膜能够对乳液进行油水分离。Zhang 等27采用亲水性聚羟基酯和 PLA 共混纺丝方法改变了 PLA 纤维膜的表面性质,使之能够过水截油,达到分离油水混合物的目的。这些研究表明改性PLA 电纺膜在吸附和过滤分离油水混合物方面具有非常大的应用价值,但其膜生产工艺相对复杂,而且还可能降低 PLA 的生物可降解性。能否直接用未改性 PLA 电纺膜来进行油水分离,从而简化工艺、保持PLA 良好的可降解性?油水分离效率如何,分离通量多大?能否多次循环使用?这些问题都令人十分感兴趣,但是现有文献都仅仅利用 PLA 作为载体,未充分考虑 PLA 分子结构中多侧甲基的结构特点和疏水亲油的性能特点,因此在现有报道中并不能找到上述问题的答案。本研究中,作者通过调节电纺工艺参数,优化了PLA 电纺纤维膜的微观形貌,对其油水分离性能进行了详细的分析,包括分离效率、分离通量和循环使用性能等。1 实验部分1.1 原料PLA,4032D,美 国 Nature Works;二 氯 甲 烷(DCM),分析纯,阿拉丁;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),分析纯,阿拉丁。1.2 实验仪器高压电源,东文高压电源(天津)股份有限公司。注射器,市售。静电纺丝接收装置,自制。扫描电子显微镜(SEM),SM-6700F,日本 JEOL。接触角测试仪,OCA20f,德国 Dataphysics Instruments。1.3 样品制备称取一定量的 PLA,在磁力搅拌下加入 DCM 和DMF 的混合溶剂中(DCM 与 DMF 体积比为 4 1),搅拌 12 h,配置成质量分数为 10%的溶液,混合均匀形成均相,得到静电纺丝前驱液。将静电纺丝前驱液置于装有 21 号针头的 25 mL注射器中。将注射器固定在静电纺丝装置上,进行高压电源与针头的连接。调节纺丝电压为 18 kV,针头与纺 丝 接 收 表 面 的 距 离 为 13 cm,滚 筒 转 速 为126 rmin-1,得到 PLA 电纺纤维膜。将 PLA 电纺纤维膜置于 50 真空干燥箱中干燥 24 h 备用。1.4 样品表征SEM 分析:通过 SEM 观察 PLA 电纺纤维膜样品,分析纤维尺寸与排列分布。根据实验结果调节电纺工艺参数,优化纤维膜形貌。水接触角测试:测试前将材料剪成合适大小并固定于载玻片上,放入样品台,采用悬滴法,设置水滴体积为2 L 进行测试。高速摄像可拍下水滴附着在无纺布表面时的照片,记录下接触角的角度,每组测量3 次取平均值。1.5 油水分离测试1.5.1 分离效率测试通过对 PLA 电纺纤维膜的分离效率进行测试来评估膜的分离性能。利用油水分离装置测试 PLA 电纺纤维膜对煤油、植物油、润滑油、石油醚、正己烷的油水分离效率。将 5 mL 亚甲基蓝染色的水与 5 mL用苏丹红染色的油(煤油、植物油、润滑油、石油醚、正己烷)混合,制备油水混合物。将油水混合物倒入分离装置中至油水完全分离,称量分离出的水的质量。用以下公式来计算油水分离效率 :=m2m1 100%其中,m1(g)和 m2(g)分别为初始水的质量和时间 t时的水的质量。1.5.2 分离通量测试评价膜的分离性能,分离通量也是必要因素之112023,Vol.37,No.1科技进展一。通量决定了膜的分离速度。油水分离通量通过以下公式计算:J=VA t其中,J(Lm-2h-1)表示液体分离通量,V(L)表示液体的渗透量,A(m2)表示分离膜的有效渗透面积,t(h)表示渗透时间。1.5.3 循环稳定性测试通过 10 次重复的油水分离实验,测试 PLA 电纺纤维膜的分离效率的变化,以评价 PLA 电纺纤维膜的循环性能。每次分离后,用无水乙醇对膜漂洗 3次,再在去离子水中浸泡 20 min,观察漂洗后膜的分离效率的情况。1.5.4 静水压测试静水压测试对于膜在实际应用中具有十分重要的作用。实际静水压通过以下公式进行计算:P=gh其中,(gcm-3)表示亚甲基蓝染色的水的密度,g为重力加速度,h(m)表示测试时膜上方的水柱的高度。当静水压大于膜的最大耐静水压力时,水可能会渗透过膜,使膜不能继续使用。2 结果与讨论2.1 PLA 电纺纤维膜的微观形貌与疏水性图 1 是 PLA 电纺纤维膜样品的 SEM 照片,图 1(A)(D)分别是放大 500 倍、1 000 倍、1 500 倍和5 000 倍的图像。由图 1 可以看出:电纺纤维膜样品为微纤维组成的三维多孔网络结构。PLA 纤维连续平直,表面较光滑。纤维直径为 1 2 m,分布较均匀。由 PLA 纤维交织组成的三维多孔结构的孔径为3 10 m,远小于水滴的直径 1 3 mm。结合 PLA固有的疏水性,这种多孔纤维膜具有很好的拒水亲油和油水分离性能。水接触角测试能够直观地显示电纺纤维膜表面的亲疏水性,如图 2 所示,PLA 电纺纤维膜的接触角分别为 136.9、138.6和 141.7,平均值为 139.1,表明其具有很强的疏水性。PLA 的分子结构式如图 3 所示。因分子结构中富含侧甲基,PLA 具有疏水性和亲油性。如图 4 所示,用亚甲基蓝染色后的水滴呈完美球形停留在纤维膜表面,煤油则快速渗透到膜内,可知 PLA 电纺纤维膜具有良好的疏水性和亲油性。图 1 不同放大倍数下的 PLA 电纺纤维膜的 SEM 照片:500 倍(A)、1 000 倍(B)、1 500 倍(C)、5 000 倍(D)Fig.1 SEM images of PLA electrospun fibermembranes at different magnifications:500(A),1 000(B),1 500(C),5 000(D)图 2 PLA 电纺纤维膜的水接触角测试图Fig.2 Water contact Angle test diagram ofPLA electrospun fiber membrane(C3H4O2