g-C3N4/TiO2-PVDF光响应膜界面实现高效油水分离: 不同暴露晶面诱导的渗透性和选择性差异及性能

doi:10.7503/cjcu20230085

摘要/Abstract

摘要：

油滴堵塞导致的膜污染问题限制了膜技术在油水分离中的应用, 构建选择性分离油水混合液的功能界面是实现高效油水分离的重要途径. 本文制备了TiO₂(001)和(101)晶面暴露的g-C₃N₄/TiO₂-PVDF(聚偏氟乙烯膜)光催化膜, 研究了不同暴露晶面对油水分离效果的影响及作用过程. 结果显示, 光照射下, TiO₂(001)晶面赋予了g-C₃N₄/TiO₂(001)-PVDF膜优异的超亲水和水下超疏油特性, 与TiO₂(101)晶面暴露的膜相比, g-C₃N₄/ TiO₂(001)-PVDF膜具有更优异的油水分离性能. g-C₃N₄/TiO₂(001)PVDF膜在可见光照射下, 纯水通量达到2002.9 L·m^‒2·h^‒1, 较g-C₃N₄/TiO₂(101)-PVDF膜提升了60.8%, 较黑暗条件下提升了47.1%; 对5种不同油类物质的截留效率均>99%, 且保持420.4~665.2 L·m^‒2·h^‒1的高渗透通量. 而g-C₃N₄/TiO₂(101)-PVDF膜截留效率最高仅有61.8%, 且渗透通量不足200 L·m^‒2·h^‒1. 通过瞬态光电流响应和电子顺磁共振技术探究了不同晶面暴露光催化膜的作用机理. 结果表明, g-C₃N₄/TiO₂(001)-PVDF膜的光响应电流更强且羟基自由基产量更多. g-C₃N₄/ TiO₂(001)-PVDF膜经过长达360 min的连续实验, 渗透通量依然有264 L·m^‒2·h^‒1; 8次循环再生实验中始终保持高截留效率和渗透通量.

关键词: 油水分离, 光诱导转化, g-C₃N₄/TiO₂, 晶面暴露

Abstract:

Membrane technology is constrained by membrane fouling of oil droplet obstruction in oil-water separation. A crucial step toward effective oil-water separation is the construction of a functional interface for selective separation of the oil-water mixture. In this paper， g-C₃N₄/TiO₂-PVDF（polyvinglidene fluoride） photocatalytic membranes with different exposed crystal planes of TiO₂ were prepared， and the effects of different exposed crystal planes on oil-water separation were studied. The experimental results show that the TiO₂（001） surface endows the g-C₃N₄/ TiO₂（001）-PVDF membrane with excellent superhydrophilicity and underwater superoleophobicsuperoil transport properties under sunlight irradiation， and compared with the TiO₂（101） surface exposed membrane， g-C₃N₄/ TiO₂（001）-PVDF membrane has better oil-water separation performance. Under visible light， the pure water flux of g-C₃N₄/TiO₂（001）-PVDF membrane reaches 2002.9 L·m^‒2·h^‒1， which is 60.8% higher than that of g-C₃N₄/TiO₂（101）- PVDF membrane， and 47.1% higher than that under dark conditions. Simultaneously， the rejection efficiency of the five kinds of oil substances is more than 99%， and the high permeation flux of 420.4—665.2 L·m^‒2·h^‒1 is maintained. The highest rejection efficiency of g-C₃N₄/TiO₂（101）-PVDF membrane is only 61.8%， and the permeation flux is less than 200 L·m^‒2·h^‒1. The mechanism of different crystal planes was explored by transient photocurrent response and electron paramagnetic resonance technology. The results showed that the g-C₃N₄/TiO₂（001）-PVDF membrane had a stronger light response current and more hydroxyl radical production. The permeation flux of g-C₃N₄/TiO₂（001）-PVDF membrane was still 264 L·m^‒2·h^‒1 after a 360 min continuous experiment. High rejection efficiency and permeation flux were always maintained in the 8 cycles of regeneration experiments. Obviously， the photocatalytic membrane with exposed TiO₂（001） has a greater permeability， selectivity， and stability， which is more appropriate for the effective separation of oil-water wastewater.

Key words: Oil-water separation, Light induced conversion, g-C₃N₄/TiO₂, Crystal face exposure

中图分类号:

O643

TrendMD:

祖鹏, 袁鹏程, 王曙光, 孙雪菲. g-C₃N₄/TiO₂-PVDF光响应膜界面实现高效油水分离: 不同暴露晶面诱导的渗透性和选择性差异及性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230085.

ZU Peng, YUAN Pengcheng, WANG Shuguang, SUN Xuefei. Efficient Oil-water Separation at the g-C₃N₄/TiO₂-PVDF Photoresponsive Membrane Interface： Permeability and Selectivity Differences Induced by Different Exposed Crystal Planes and Performance. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20230085.

图/表 10

Fig.1 XRD patterns of TiO2(101), g⁃C3N4/TiO2(101), g⁃C3N4, g⁃C3N4/TiO2(001) and TiO2(001)

Fig.2 HRTEM images of g⁃C3N4/TiO2(101)(A) and g⁃C3N4/TiO2(001)(B)

Fig.3 SEM images of surface(A, B) and cross⁃section(C, D) of PVDF membrane(A, C) and g⁃C3N4/TiO2⁃PVDF membrane(B, D)

Fig.4 AFM images of PVDF membrane(A) and g⁃C3N4/TiO2⁃PVDF(B)（A） Ra=264.6 nm；（B） Ra=43.1 nm.

Fig.5 Pore size distribution of PVDF and g⁃C3N4/TiO2⁃PVDF membranes

Fig.6 Pure water flux of PVDF, g⁃C3N4/TiO2(101)⁃PVDF and g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF membranes(A), filtrate oil content and permeation flux of g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF membranes under dark conditions(B), visible light conditions(C), filtrate oil content and permeation flux of g⁃C3N4/TiO2(101)⁃PVDF membranes under visible light conditions(D)（A） a. PVDF， b. D-TCN101， c. L-TCN101， d. D-TCN001， e. L-TCN001；（B—D） a. kerosene， b. toluene， c. soybean oil， d. hexane， e. petroleum ether.

Fig.7 Underwater oil contact angle of g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF membrane after visible light irradiation(A), the effect of visible light irradiation time on the water contact angle of PVDF, g⁃C3N4/TiO2(101)⁃PVDF, and g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF membranes(B)Insets are the contact angles. （A） a. Kerosene， b. toluene， c. soybean oil， d. hexane， e. petroleum ether.

Fig.8 Photocurrent⁃time curves(A) and EPR test curves(B) of different composite photocatalysts

Fig.9 Anti⁃pollution experiment of g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF under dark(A) and visible light irradiation(B), cyclic experiment of g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF under dark(C) and visible light irradiation(D)

Fig.10 Infrared spectra of original PVDF(a) and g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF before(b) and after(c) use(A), photoresponsive wettability of g⁃C3N4/TiO2(001)⁃PVDF before(a) and after(b) use(B)(B) Insets are the contact angles.

参考文献 36

1	Padaki M.， Surya Murali R.， Abdullah M. S.， Misdan N.， Moslehyani A.， Kassim M. A.， Hilal N.， Ismail A. F.， Desalination， 2015， 357， 197—207
2	Liu Y.， Zhao Y. F.， Jiang N.， Cheng W.， Lu D. W.， Zhang T.， Environ. Sci. Technol.， 2022， 56（13）， 9651—9660
3	Zhang J. H.， Zhou J. Y.， Lin H. B.， Li Z.， Fang Q. R.， Xue M.， Qiu S. L.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（4）， 624—631
	张建会，周晋雅，林海波，李湛，方千荣，薛铭，裘式纶. 高等学校化学学报， 2019， 40（4）， 624—631
4	Wu M. M.， Xiang B.， Mu P.， Li J.， Sep. Purif. Technol.， 2022， 297， 121532
5	Jamshidi Gohari R.， Korminouri F.， Lau W. J.， Ismail A. F.， Matsuura T.， Chowdhury M. N. K.， Halakoo E.， Jamshidi Gohari M. S.， Sep. Purif. Technol.， 2015， 150， 13—20
6	Chakrabarty B.， Ghoshal A. K.， Purkait M. K.， Chem. Eng. J.， 2010， 165（2）， 447—456
7	Huang A.， Chen L. H.， Kan C. C.， Hsu T. Y.， Wu S. E.， Jana K. K.， Tung K. L.， J. Membr. Sci.， 2018， 566， 249—257
8	Prince J. A.， Bhuvana S.， Anbharasi V.， Ayyanar N.， Boodhoo K. V. K.， Singh G.， Water Res.， 2016， 103， 311—318
9	Gao H.， Duan Y. Q.， Yuan Z. H.，. Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（6）， 1208—1215
	高虹，段月琴，袁志好. 高等学校化学学报， 2016， 37（6）， 1208—1215
10	Ding J. W.， Wang J. L.， Luo X. S.， Xu D. L.， Liu Y. T.， Li P. J.， Li S. R.， Wu R.， Gao X. L.， Liang H.， Water Res.， 2022， 226， 119219
11	Wu H.， Sun C. Y.， Huang Y. Z.， Zheng X. Y.， Zhao M.， Gray S.， Dong Y. C.， Water Res.， 2022， 211， 118042
12	Zhong Q.， Shi G. G.， Sun Q.， Mu P.， Li J.， J. Membr. Sci.， 2021， 640， 119836
13	Nimbalkar D. B.， Ramacharyulu P. V. R. K.， Sahoo S. R.， Chen J. R.， Chang C. M.， Maity A. N.， Ke S. C.， Appl. Catal. B： Environ.， 2020， 273， 119036
14	Asahi R.， Morikawa T.， Irie H.， Ohwaki T.， Chem. Rev.， 2014， 114（19）， 9824—9852
15	Yang L.， Bai X.， Shi J.， Du X. Y.， Xu L.， Jin P. K.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 256， 117759
16	Li C. Q.， Sun Z. M.， Xue Y. L.， Yao G. Y.， Zheng S. L.， Adv. Powder Technol.， 2016， 27（2）， 330—337
17	Roy N.， Sohn Y.， Pradhan D.， ACS Nano， 2013， 7（3）， 2532—2540
18	Tong H. F.， Zhou Y. Y.， Chang G.， Li P.， Zhu R. Z.， He Y. B.， Appl. Surf. Sci.， 2018， 444， 267—275
19	Li T. Y.， Tian B. Z.， Zhang J. L.， Dong R. F.， Wang T. T.， Yang F.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2013， 52（20）， 6704—6712
20	Lin F.， Chen Y.， Zhang L.， Mei D. H.， Kovarik L.， Sudduth B.， Wang H. M.， Gao F.， Wang Y.， ACS Catal.， 2020， 10（7）， 4268—4279
21	Tan Y.， Shu Z.， Zhou J.， Li T. T.， Wang W. B.， Zhao Z. L.， Appl. Catal. B： Environ.， 2018， 230， 260—268
22	Yu Y.， Yan W.， Wang X. F.， Li P.， Gao W. Y.， Zou H. H.， Wu S. M.， Ding K. J.， Adv. Mater.， 2018， 30（9）， 1705060
23	Moradi S.， Isari A. A.， Hayati F.， Rezaei Kalantary R.， Kakavandi B.， Chem. Eng. J.， 2021， 414， 128618
24	Hu Y. Q.， Niu Q. Y.， Wang Y. X.， Zhang Y. N.， Zhao G. H.， Appl. Catal. B： Environ.， 2021， 285， 119812
25	Shao C. R.， Lin L. T.， Duan L. J.， Jiang Y. S.， Shao Q. Y.， Cao H. Y.， Electrochim. Acta， 2021， 376， 138066
26	Xing R. Z.， Huang R. L.， Qi W.， Su R. X.， He Z. M.， AlChE J.， 2018， 64（10）， 3700—3708
27	Gao Y.， Hu M.， Mi B. X.， J. Membr. Sci.， 2014， 455， 349—356
28	Ding C. K.， Qin X. W.， Tian Y. Y.， Cheng B. W.， J. Membr. Sci.， 2022， 659， 120789
29	Yu Y. T.， Xu W. C.， Fang J. Z.， Chen D. D.， Pan T.， Feng W. H.， Liang Y.， Fang Z. Q.， Appl. Catal. B： Environ.， 2020， 268， 118751
30	Wu J. J.， Zhang Y. F.， Zhou J. S.， Wang K. N.， Zheng Y. Z.， Tao X.， Appl. Catal. B： Environ.， 2020， 278， 119301
31	Balarak D.， Mengelizadeh N.， Rajiv P.， Chandrika K.， Environ. Sci. Pollut. Res.， 2021， 28（36）， 49743—49754
32	Hu J. J.， Wang S.， Yu J. Q.， Nie W. K.， Sun J.， Wang S. B.， Environ. Sci. Technol.， 2021， 55（2）， 1260—1269
33	Zhao K.， Quan X.， Su Y.， Qin X.， Chen S.， Yu H. T.， Environ. Sci. Technol.， 2021， 55（20）， 14194—14203
34	Zhang X. Y.， Wang T.， Wu L. G.， Guo H. C.， J. Membr. Sci.， 2023， 670， 121371
35	Ma W. Y.， Pan J.， Ren W. Z.， Chen L.， Huang L. L.， Xu S. S.， Jiang Z. H.， J. Membr. Sci.， 2022， 659， 120792
36	Wang X. P.， Xiao Q.， Wu C.， Li P.， Xia S. J.， Chem. Eng. J.， 2021， 416， 129154

[1]	刘帅卓,张骞,刘宁,肖文艳,范雷倚,周莹. 三聚氰胺海绵的一步式协同超疏水改性及在油水分离中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 521.
[2]	刘耘, 李婷, 汪洋, 东为富. 树莓状超疏水多孔复合棉纤维的制备及油水分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1775.
[3]	张建会, 周晋雅, 林海波, 李湛, 方千荣, 薛铭, 裘式纶. 具有水下超疏油性能的MXene高效油水分离膜[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(4): 624.
[4]	邱丽娟, 张颖, 刘帅卓, 张骞, 周莹. 超疏水、高强度石墨烯油水分离材料的制备及应用[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2758.
[5]	李钦涛, 孙文, 张芹, 潘惠芬, 徐杰. 基于原位结晶苯膦酸锆膜的油水分离网的制备及应用[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(3): 464.
[6]	闫凯波, 郭贵宝, 刘金彦. 四乙基氢氧化铵改性聚偏氟乙烯接枝聚丙烯酸油水分离膜的制备[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(8): 1565.
[7]	高虹, 段月琴, 袁志好. 超亲水-水下超疏油PVDF-g-PAA多孔膜的制备及油水分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(6): 1208.
[8]	石彦龙, 杨武, 冯晓娟. 超疏水-超亲油棉织物的制备及在油水分离中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(9): 1724.
[9]	卢飞, 陈雨宁, 刘娜, 曹莹泽, 冯琳. 一种可用于光降解的纳米氧化锌油水分离网[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(2): 368.
[10]	王子涛, 肖长发, 赵健, 胡霄, 徐乃库. 还原氧化石墨烯基三聚氰胺海绵的制备与吸附性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(11): 2410.
[11]	李红剑, 曹义鸣, 杨林松, 袁权. 抗油污染α-纤维素中空纤维超滤膜油-水分离性能的研究[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(10): 1890.

g-C₃N₄/TiO₂-PVDF光响应膜界面实现高效油水分离: 不同暴露晶面诱导的渗透性和选择性差异及性能

Efficient Oil-water Separation at the g-C₃N₄/TiO₂-PVDF Photoresponsive Membrane Interface： Permeability and Selectivity Differences Induced by Different Exposed Crystal Planes and Performance

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