静电纺纳米纤维复合材料的过滤应用

guolvfenlitech6

2019-08-09   环球过滤分离技术员  guolvfenlitech6
近年来，随着工业化进程的持续加快，纺织、金属加工等行业造成了严重的水污染，导致水体中存在大量的重金属离子和有机污染物，严重影响着人们的生活和自然环境，因此迫切需要开发新型多功能、高附加值的过滤材料来应对新兴的水污染挑战。静电纺丝是一种制造纳米纤维的高效技术，一方面，静电纺纳米纤维复合过滤材料过滤效率高，与传统过滤材料相比，其过滤效率提高了70%及以上；二是水通量大。相比传统的过滤材料，静电纺纳米纤维支架具有低克重和高孔隙率、高渗透性以及孔径可控性，提供了将过滤和吸附的功能结合在一起的平台，将靶向分子捕获在纳米纤维表面，可有效去除污染物；利用纳米纤维材料作为过滤材料，能显著提高吸附能力和过滤效率，从而在过滤领域具有重要的应用价值和前景。










静电纺纳米纤维的液体过滤机制




过滤过程理论上主要分为两个阶段：稳态阶段和非稳态阶段。稳态阶段中，根据经典过滤理论可知，纳米纤维材料对液体的过滤机制主要有5种。




拦截效应



微粒在运动过程中与纤维发生相互碰撞，而纳米纤维完全贯通的网状结构和优异的孔隙连通性使微粒与其碰撞的机会增加，可以阻挡微粒的继续运动，进而将其捕捉于纳米纤维膜表面。



惯性效应



在纳米纤维材料吸附微粒的过程中，因为纤维的存在，微粒的正向运动发生了阻碍，由于惯性，微粒会反方向进行运动，但在其反向运动过程中，由于其他正向运动的微粒及阻力的影响，无法保持继续运动，就会沉积于纤维表面。




静电吸附



微粒在与纳米纤维接触的过程中，由于摩擦起静电作用，微粒与纳米纤维带有正负相反电荷而产生吸引，最终微粒被吸附在纤维上。




重力效应



微粒由于自身的重力作用，当重力作用大于阻力作用时，微粒沉积于纤维表面。



扩散效应



当微粒在运动过程中，基于纳米纤维的孔隙，微粒会发生浓度迁移运动，在液体中通过纳米纤维的孔隙进而迁移到纳米纤维表面，发生沉积。



稳态阶段中，五种机制相互作用、协同作用，将微粒吸附于材料表面。尽管对稳态阶段的研究已渐成熟，但是在此阶段微粒并不会达到100%被吸附。由于在吸附过程中，沉积的粒子附着在纤维表面，而继续沉积的粒子会继续沉积在已沉积的粒子上，继而就出现了非稳态阶段。在此阶段，粒子的不断沉积致使纤维的孔径、孔隙发生相应的变化，会堵塞孔隙，进而使吸附率降低。但是随着吸附的继续，孔隙的堵塞以及吸附率并不是呈规律性变化，所以此阶段的机制相对复杂，相对研究较少。基于目前的研究无法进行进一步的解释，需要更深

入研究，目前国内外学者已致力于此过程的建模研究。








静电纺纳米纤维复合材料的过滤应用




重金属离子的过滤



静电纺纳米纤维复合材料对于重金属离子的吸附，近年来已有大量研究，其吸附效率呈明显升高趋势，吸附效果显著改善，对于重金属离子污染的水体过滤具有很重要的价值。



有色染料的过滤



有色染料吸附过程中，如何高效地将染料分子吸附到纳米纤维膜的表面并使染料分子尽可能少地堵塞纤维膜的孔隙，使吸附效率保持稳定是研究重点也是研究难点。学者们为此进行了大量研究，尝试多种途径努力开发出许多新型的对染料分子具有高截留率的纳米纤维复合材料。



其他有机化学物质和细菌的过滤



除重金属离子和有色染料外，水体中的其他一些有机化学物质和细菌对人们的生活也造成严重的威胁和危害，目前新一代纳米科技的发展对微纳米级颗粒的过滤起到了重要的作用，成效也日渐显著。








目前存在的主要问题和挑战



尽管静电纺纳米纤维材料优良的孔径连通性、高孔隙、小孔径以及良好的膜表面粗糙度在对污水中的污染物过滤效率方面已取得一些成果，但是仍存在不少问题：

①纳米纤维材料膜污染问题和亲水性问题。尽管已做了一些研究，但是还需进一步改善，因为亲水性弱会直接导致低通量以及不可逆污染从而使膜孔隙容易堵塞，不利于过滤的进行，而膜污染会直接导致纳米过滤材料的使用寿命。

②纳米纤维过滤材料在水体中的稳定性及柔韧性研究较少，其较差的力学性能限制了应用能力和范围。

③在污水温度和pH因素的影响下，对过滤材料自身就需要很高的要求，需开发出耐高温、耐腐蚀、耐磨并能保持较长使用寿命和较高吸附效率的纳米纤维复合过滤材料。

④纳米纤维过滤材料的安全性和回收利用性。污水处理是为了去除有害物质，但是如果过滤材料在水体中降解后含有有毒物质，那么会对水体造成二次污染，还应提高其材料的回收利用性，降低资源消耗。

⑤如果能根据水压、pH值以及材料的结构性质对材料的有效过滤时间进行数学建模，将对污水过滤的新型高效的静电纺纳米过滤材料研究起到重要的推动作用和参考价值，而这也是一项重要挑战。

⑥对静电纺纳米纤维过滤材料的研究还不够完善，最终的大部分产品都只停留在实验室阶段，尤其是这些产品的产业化生产还存在较大的问题。

来源于：合成纤维，作者： 杨梅，孙润军