中南林业科技大学胡进波、刘贡钢&郑州大学王重庆：受纸张制备工艺启发，设计具有高效吸附与催化功能的水处理杂化膜

　　有机废水处理是环境领域重要的研究课题之一，膜分离是处理有机废水的高效方法，而膜材料的开发是最为关键的一环。有机膜成膜性能优异、柔韧性好、制膜成本低，但机械强度差、化学稳定性差、不耐高温，且大部分有机膜材料废弃易造成二次污染。而无机膜在机械强度和化学稳定性方面都远高于有机膜，但是其制膜成本高、加工难度大、没有柔韧性，不易广泛应用于水处理工程中。将有机和无机材料结合获得的杂化膜材料，可以充分发挥各自优势，同时还能达到功能集成的目的。因此，如何简单、有效获得有机-无机杂化膜材料，以及实现膜材料的多功能化与可持续使用，是未来可规模化应用于水处理膜材料的重点研究方向之一。

　　木质纤维的使用，不仅减少了由木质纤维到纤维素制备纤维素基滤膜的过程，实现木质素、半纤维素、纤维素的全组分利用，而且发挥了木材细胞腔和壁面丰富的孔隙结构，提高水处理渗透通量。另一方面，埃洛石纳米管与金属有机骨架材料为填料以及丙烯酰胺分子聚合交联，有效克服了木质纤维简单物理堆积成膜后的大孔隙和结构松散缺陷，达到纳尺度调控膜分离通道和增强滤膜强度的目标，而大比表面积的埃洛石纳米管和ZIF-67材料，不仅显著增加膜材料的吸附性能，还赋予膜材料催化降解功能特性，从而实现滤膜的再生与循环使用。所制备的木质纤维/HNTs/ZIF-67杂化滤膜在有机染料废水膜处理技术江南app官网下载中具有潜在的应用前景，杂化膜的制备过程如图1所示。

　　透射电镜图像显示在木质纤维/HNTs/ZIF-67杂化滤膜中可以明显观察到木材的纤维细胞结构，且其呈现很好的中空管状结构，壁面可以发现大量的孔隙，这为膜处理过程提供了大量的水传输通道，从而获得高水处理通量。此外，在纤维壁面还可以清晰观察到大量埃洛石纳米管和MOF纳米颗粒紧密、牢固负载在管壁，这些纳米材料显著增加了滤膜的吸附截留性能，同时凭借MOF材料的类芬顿催化功能还可以实现膜材料的污染再生和循环使用。

　　图2：木质纤维/HNTs/ZIF-67杂化滤膜中纤维组织的透射电镜图片。

　　木质纤维/HNTs/ZIF-67杂化滤膜和木质纤维/HNTs依靠木质纤维骨架的优势，均展现出较好的柔韧性，反复弯折均未出现任何破坏，克服了无机陶瓷膜脆性无柔性的缺点。同时，分别经过ZIF-67和HNTs/ZIF-67负载与丙烯酰胺交联后，膜材料的抗拉强度由0.177 MPa提高到了5.911 MPa和7.221MPa，抗拉强度是普通A4纸的14倍以上，而得益于MOF的负载，有效改善丙烯酰胺交联过程，膜材料的力学性能进一步获得提高。结果表明，所设计的杂化膜显示出优异的柔韧性和较好的机械强度。

　　膜过滤性能如图4所示，木质纤维/HNTs/ZIF-67杂化滤膜在100mL亚甲基蓝染料溶液（10 mg·L-1）过滤操作中展现优异的吸附性能，前三次过滤试验中可实现每次100mL亚甲基蓝染料溶液中染料分子的85%以上脱除率，通量可以保持在200 L·(m2 h)-1以上，这主要归功于HNTs和ZIF-67优异的吸附性能以及膜内预埋木质纤维发达的孔隙通道。而三次过滤后，由于吸附达到饱和，亚甲基蓝截留率明显下降，但通过过一硫酸盐（PMS）催化降解作用，可以有效减缓截留率的衰减。另一方面，杂化膜经过PMS催化去污染过程，还能实现污染后膜材料的吸附性能再生，多次循环使用后的吸附截留率可恢复至90%左右，达到可持续使用的目的。

　　所制备的木质纤维/HNTs/ZIF-67杂化滤膜，借鉴了纸张填料增益过程，有效发挥了生物质木质纤维材料与纳米材料优势，具有优异的柔韧性和较好的机械强度，在有机染料废水处理中展现很好的吸附截留与高通量性能，以及催化再生与循环利用能力，这种工艺简单、低成本的高性能杂化膜材料有望规模化应用于有机废水处理。此外，这种木质纤维+纳米填料+化学交联的模式也为其他柔性、自支撑木质纤维基膜材料的开发与其他膜应用领域提供江南app官网下载了重要参考。

　　胡进波，中南林业科技大学副教授，法国蒙彼利埃大学博士，主要从事生物质及其衍生碳功能材料研究。湖南省人才托举工程中青年优秀科技人才培养计划入选者、湖南省普通高校教师党支部书记“双带头人”标兵、湖南省普通高校青年骨干教师，兼任国际标准化组织竹藤技术委员会ISO/TC296专家、中国林学会木材科学分会委员等。获得湖南省科学技术进步二等奖、梁希林业科学技术进步二等奖、国际木材保护组织“Ron Cockcroft Award”个人奖等6项。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、湖南省自然科学基金杰出青年基金项目等各类科研项目10余项，在国内外重要学术期刊上发表论文60多篇，已授权国家发明专利13项。

　　刘贡江南app官网下载钢，中南林业科技大学副教授，复旦大学博士后，主要从事生物质环境与储能功能材料研究。主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、教育部产学研协同育人、湖南省重点研发计划以及湖南省教育厅优秀青年基金等科研项目10余项，以第一或通讯作者发表SCI论文30余篇，申请和授权国家发明专利9项，参编专著1部，获得湖南省科学技术进步二等奖、中国木材与木制品流通协会科学技术奖一等奖等奖励。

　　王重庆，郑州大学化工学院副教授、博士生导师，长期从事固体废弃物资源化与废水处理方面研究工作。在本领域权威期刊发表高质量学术论文60余篇，论文总被引用超过3500次，H-index为36，入选ESI高被引论文6篇，主编和参编英文著作5本，获得授权中国发明专利16项。入选中国科协青年人才托举工程、中原青年拔尖人才。担任International Journal of Environmental Science and Technology副主编、Sustainable Horizons编委、International Journal of Mining Science and Technology青年编委等。返回搜狐，查看更多