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暨大劉明賢課題組《Sep. Purif. Technol.》:甲殼素納米晶定向多孔支架用于高效凈水材料
2023-01-20  來(lái)源:高分子科技

  水資源短缺正在全世界迅速蔓延,威脅著五大洲的人口,需要全球性的可持續(xù)的解決方案。循環(huán)用水是提供清潔飲用水的最佳生態(tài)方法。近年來(lái),水修復(fù)材料,如石墨烯、碳納米管、活性炭、沸石和金屬納米粒子,已在各種凈水技術(shù)中進(jìn)行了探索。然而,這些材料通常價(jià)格昂貴,并且對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,因此迫切需要尋找低成本、安全和可持續(xù)的具有納米結(jié)構(gòu)的替代品。


  近日,暨南大學(xué)劉明賢教授課題組采用液氮輔助定向冷凍技術(shù)制備了一種具有定向通道的可持續(xù)的交聯(lián)甲殼素納米晶支架(XChNCs)。該支架在海水淡化、油水分離和染料吸附上均表現(xiàn)出高效的分離效果。該研究成果以“Chitin nanocrystals scaffold by directional freezing for high-efficiency water purification”為題發(fā)表在Separation and Purification Technology影響因子9.136,一區(qū)TOP雜志上。暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院2021級(jí)博士生何韻晴為該論文第一作者,劉明賢教授為唯一通訊作者。


  采用液氮輔助定向冷凍技術(shù)制備了具有定向孔道的ChNCs支架,制備過程如1a所示。當(dāng)ChNCs懸浮液用液氮冷卻時(shí),冰晶會(huì)沿一個(gè)方向從底部生長(zhǎng)到整個(gè)樣品,然后在冷凍干燥過程中,取向通道結(jié)構(gòu)隨著冰晶的去除而保留在樣品中,從而得到具有定向通道的支架(1b)。 


1(a)ChNCs支架制備過程示意圖。(b)ChNCs支架定向冷凍和冷凍干燥示意圖。


  上述獲得的ChNCs支架橫向截面的掃描電鏡圖像顯示出紡錘形孔(2a),縱向形態(tài)顯示出高度垂直排列的微通道(2b)。為了增強(qiáng)ChNCs支架耐水性,使用戊二醛溶液進(jìn)行交聯(lián)。交聯(lián)后的ChNCs支架(XChNCs)橫向截面為蜂窩結(jié)構(gòu),具有六邊形孔(2c),孔徑在7.5至39.3 μm之間,其縱向截面仍顯示出垂直排列的通道(2d),表明戊二醛的引入并未破壞其垂直排列的微通道。相比之下,不規(guī)則的ChNCs支架顯示出無(wú)序的結(jié)構(gòu)(2e)。與無(wú)取向支架相比,定向冷凍法制備的各向異性支架呈現(xiàn)垂直排列的通道和開放的孔隙,這有利于XChNCs支架中水分的快速傳輸和釋放。 


2 XChNCs支架的(a和b)橫向和縱向截面(c和d)的掃面電鏡圖像。(e)不規(guī)則ChNCs支架的掃描電鏡圖像。


  將商業(yè)墨水涂布XChNCs支架的表面作為光吸收層(3a),該涂層不會(huì)堵塞支架的垂直對(duì)齊通道(3b)。表面涂有墨水的XChNCs支架由于在300 nm-1100 nm波長(zhǎng)處對(duì)光具有較強(qiáng)的吸收強(qiáng)度(3c),因此具有廣泛的光學(xué)吸收和優(yōu)異的光熱導(dǎo)率。在模擬太陽(yáng)光的氙氣燈照射下,其表面溫度能夠迅速升高(3d)。將該支架置于水面上,在沒有氙燈照射的情況下,在支架的上方未觀察到蒸汽柱(3f)。相比之下,在模擬1個(gè)太陽(yáng)或10個(gè)太陽(yáng)的氙燈照射下,支架表面均被觀察到連續(xù)的蒸汽逸出,并隨著氙燈的照射強(qiáng)度越高,蒸汽柱越明顯。因此將表面涂布墨水的XChNCs支架作為水蒸發(fā)器材,有利于提高對(duì)水的蒸發(fā)效率(3i)。將該支架在穩(wěn)定的光源照射下,重復(fù)進(jìn)行淡化海水試驗(yàn)9次,水蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率均在合理范圍內(nèi)波動(dòng)(3I),表明該墨水表面涂布支架在海水淡化應(yīng)用中具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。 


3(a,b,c和d)表面涂布墨水的XChNCs支架的表征。(e,f,g,h和i) 采用氙燈模擬太陽(yáng)光照射表面涂布墨水的XChNCs支架的表面進(jìn)行海水淡化試驗(yàn)。(j,k和l)使用激光作為穩(wěn)定光源對(duì)表面涂布墨水的XChNCs支架進(jìn)行淡化海水循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試。


  XChNCs支架具有兩親性(4a和b),被水充分潤(rùn)濕后具有一定的疏油性(4c),因此可將其安裝在過濾裝置中進(jìn)行油水分離。僅在重力驅(qū)動(dòng)下,預(yù)先被水潤(rùn)濕的XChNCs支架可快速分離正己烷/水混合物(4d)和水包甲苯乳液(e,f和g)。更重要的是,該支架在惡劣環(huán)境下(NaCl(4 h)、HCl(4 i)和NaOH溶液(4j))均能有效地分離油水混合物。 


4(a,b和c)XChNCs支架的潤(rùn)濕行為。(d,e,f,和g)XChNCs支架的油水分離試驗(yàn)。(h,i和j)XChNCs支架的耐腐蝕性。


  XChNCs支架表面由于具有–OH和–NH2活性基團(tuán),且具有多孔性,因此可用于吸附有機(jī)染料。XChNCs支架對(duì)亞甲基藍(lán)和剛果紅染料的保留率分別為95.74%和99.96%,表明XChNCs支架具有優(yōu)異的染料吸附能力。 


5 XChNCs支架吸附亞甲基藍(lán)(MB)、剛果紅(CR)測(cè)試。


  本研究采用液氮輔助定向冷凍法制備了具有排列通道的ChNCs支架。定向通道有利于ChNCs支架快速吸收液體。采用戊二醛作為交聯(lián)劑對(duì)該支架進(jìn)行交聯(lián),以提高支架的耐水性和機(jī)械穩(wěn)定性。該支架在海水淡化、油水分離和染料吸附上均表現(xiàn)出良好的分離效果。除此之外,XChNCs支架具有耐腐蝕性,可在惡劣環(huán)境下有效地分離油水混合物。因此本研究制備了一種可再生、可生物降解和高性能的生物質(zhì)支架,在水凈化方面有著廣闊的應(yīng)用前景。


  該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(52073121)、廣州市科技計(jì)劃(202102010117)和佛山國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2220197000129)項(xiàng)目組的資助。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123177

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