PMIA/PAN/SiO2纳米纤维复合膜在PM0.3去除和油水分离中的应用

青岛大学董森杰&袁丁J. Hazard. Mater.：PMIA/PAN/SiO2纳米纤维复合膜在PM0.3去除和油水分离中的应用

DOI: 10.1016/j.jhazmat.2021.126835

工业废气和含油废水通常处于高温状态，含有腐蚀性成分（如酸、碱、氧化剂或高盐等），这就对过滤/分离材料提出了巨大挑战。在本研究中，为了满足复杂环境下空气过滤和油水分离的要求，通过静电纺丝简便制备了一种高产率且多用途的聚间苯二甲酰间苯二胺/聚丙烯腈/二氧化硅（PMIA/PAN/SiO2）纳米纤维复合膜。在PMIA、PAN和SiO2的协同作用下，该复合膜具有高达99.69％的PM0.3去除率，对真实烟雾PM2.5的强大净化能力，有效油水分离性能超过99.6％，优异的高温稳定性（约250℃）和良好的耐化学性，在复杂条件下的过滤/分离过程中显示出巨大的应用潜力。此外，通过实验和模拟系统研究了SiO2 NPs对机械性能和过滤性能的影响机制，为未来的深入研究铺平了道路。本研究为简便有效地制备适用于粉尘过滤和含油废水分离领域，甚至在恶劣环境下的高性能过滤/分离膜提供了一条新的途径。

图1.（a）制备PMIA/PAN/SiO2纺丝溶液的示意图。（b）通过静电纺丝制备复合膜的示意图，以及纺丝4h的PMIA（左）和PMIA/PAN（右）膜的照片。

图2.不同SiO2浓度的复合膜的SEM图像：分别为（a）0，（b）2，（c）4，（d）6，（e）8wt％。插图：相应的TEM图像。（f）相应膜的孔径分布曲线，（g）平均纤维直径和（h）孔隙率。

图3.（a）PAN、PMIA、PMIA/PAN膜和（b）具有不同SiO2浓度的PMIA/PAN/SiO2膜的FTIR光谱。

图4.（a）相应膜的TGA和DTG曲线。（b）不同SiO2浓度的复合膜的应力-应变曲线。（c）显示PMIA/PAN/SiO2膜的柔性和透明度。

图5.具有（a）少量SiO2 NPs和（b）部分团聚SiO2 NPs的PMIA/PAN/SiO2的3D复合纳米纤维模型。（c-f）对应于纳米纤维模型中的应力分布。模型中的透明圆柱体代表直径为240nm的混合纤维，黄色球体代表直径为20nm、密度为1.50g/m3的SiO2 NPs。

图6.（a）不同SiO2浓度的PMIA/PAN/SiO2膜，（b）不同基重的PMIA/PAN/4wt％SiO2膜和（c）基重为1.2g/m2的PMIA/PAN/4wt％SiO2膜在不同气速下的过滤性能。（d）基重为1.2g/m2的PMIA/PAN/4wt％SiO2膜对不同尺寸PM的过滤效率。

图7.（a-b）加热、酸和碱处理后PMIA/PAN/4w％SiO2膜的过滤效率，（c）照片，（d）SEM图像，（e）孔隙率和平均孔径以及（f）接触角。

图8.（a）直径为270nm的PMIA/PAN和（b）直径为240nm的PMIA/PAN/SiO2的单纤维模型。（c）和（d）分别对应于相应纤维的气流场分布。流速：6cm/s，温度：25℃，雷诺数≤1。

图9.图解显示了不同SiO2含量的PMIA/PAN/SiO2膜内的气流分布：（a）2，（b）4，（c）6，（d）8wt％。

图10.（a）PMIA/PAN/4wt％SiO2膜去除PM2.5和PM10-2.5的长期稳定性。插图：连续过滤80分钟前后膜的照片。（b）PMIA/PAN/4wt％SiO2膜去除浓度为>800至<20μg·m-3的PM2.5的长期循环性能。（c）和（d）PMIA/PAN/4wt％SiO2膜在不同时间段捕获烟雾PM的SEM图像。

图11.（a）油润湿和水润湿，（b）空气中PMIA/PAN/4wt％SiO2膜上动态油滴和水滴扩散过程的照片。（c-d）PMIA/PAN/4wt％SiO2膜上水下油和油下水的照片以及（e-f）相应接触角。（g）在不同温度下处理2h的PMIA/PAN/4wt％SiO2膜上的空气中水、空气中油、水下油和油下水接触角。（h）水包油乳液和（i）油包水乳液在分离前后的光学显微镜图像和相应照片。

图12.体积比分别为1:1的正己烷/去离子水（a）、正己烷/饱和NaCl溶液（b）、正己烷/HNO3溶液（pH=1）（c）和正己烷/NaOH溶液（pH=13）（d）混合物的分离过程。相应渗透通量（e）和分离效率（f），油被染成红色。