在当今水资源短缺与水污染问题日益严峻的背景下，开发高效、稳定的污水处理技术成为全球科研人员关注的焦点。膜分离技术以其节能、环保等优势，在污水处理领域展现出巨大潜力。然而，传统膜材料在恶劣环境下的稳定性不足，限制了其广泛应用。近期，一项创新性研究成功攻克了聚四氟乙烯（PTFE）纳米纤维膜在孔结构优化与亲水改性方面的难题，为污水处理技术带来新曙光，其成果发表于《Separation and Purification Technology》期刊。

一：PTFE 纳米纤维膜的制备与亲水改性

为了制备 PTFE 纳米纤维膜，首先要准备 8 wt% 的 PEO 水溶液。将干燥的 PEO 粉末在 80°C 的去离子水中搅拌 12 小时，使其充分溶解。之后，按照表 1 中规定的比例，将该 PEO 溶液与 PTFE 乳液进行混合，接着搅拌 6 小时，从而获得均匀的纺丝溶液。准备就绪后，把制备好的纺丝溶液注入商业静电纺丝设备中，纺丝参数详见表 S1。通过静电纺丝 3 小时，得到 PTFE/PEO 前驱体纳米纤维膜。最后，将前驱体膜在空气环境中，于 380°C 加热 30 分钟，这样就能制备出具有不同形态的 PTFE 纳米纤维膜。

对上述制备的 PTFE 纳米纤维膜进行亲水改性，具体步骤如下：首先，将 PVA 粉末在 90°C 的去离子水中溶解 12 小时，得到 2 wt% 的 PVA 水溶液。在涂覆 PVA 溶液之前，把 PTFE 纳米纤维膜浸入乙醇中进行预湿润处理。待膜完全干燥后，将其浸入 5 wt% 的 GA 稀溶液中，进行缩醛化反应。反应完成后，用去离子水冲洗膜，以去除多余的试剂，然后干燥至恒重。膜的编号定义为 M3 - x，其中 x（取值为 0、10、20 和 30）代表不同的缩醛化反应时间。

图1. 水性改性和PTFE纳米纤维膜制备

二：主要研究成果

（1）通过连续纺丝 - 烧结 - 涂层法制备

研究采用一种创新的连续制备工艺，即 “连续纺丝 - 烧结 - 涂层法” 来制备聚四氟乙烯（PTFE）纳米纤维膜。首先，将聚乙烯氧化物（PEO）和 PTFE 按特定比例配制成纺丝溶液，通过静电纺丝技术制成 PTFE/PEO 前驱体纳米纤维膜。接着，对前驱体膜进行烧结处理，使其中的 PEO 载体分解，留下 PTFE 纳米纤维膜的基本结构。最后，在膜表面涂覆含有聚乙烯醇（PVA）的溶液，并通过戊二醛（GA）进行缩醛化反应，在膜的孔隙表面构建亲水层。整个过程连续且高效，确保了膜的质量和性能的稳定性。

（2）膜孔径大幅缩小

通过调节纺丝载体 PEO 和 PTFE 的质量比，成功实现了对 PTFE 纳米纤维膜孔径的优化。当 PEO/PTFE 质量比降低时，纺丝溶液的粘度、纳米纤维的形态以及膜的微观结构发生变化。从扫描电子显微镜（SEM）图像（图 2）可以看出，随着质量比减小，纳米纤维从纺锤形转变为球形珠状，纤维直径变细，膜的孔径也随之减小。实验数据显示，平均孔径从 288.5nm 减小到 161.3nm。

图 2. (a) Mp1-4，(b) Ms1-4 的扫描电子显微镜图像；(c) Ms1-4 中孔径分布。

（3）高效过滤固体颗粒悬浮液

优化后的 PTFE 纳米纤维膜在过滤固体颗粒悬浮液时展现出卓越的性能。实验选用碳颗粒（1μm）和 SiO₂颗粒（100nm）的悬浮液进行测试，结果表明，该膜对碳颗粒的截留率高达 99.3%，对 SiO₂颗粒的截留率达到 97.3%。同时，膜的水渗透通量也有显著提升，从 68.56 L・m⁻²・h⁻¹ 增加到 1056.16 L・m⁻²・h⁻¹。这得益于优化的孔径结构和亲水改性，使得膜既能有效拦截颗粒，又能保证较高的水通量。（见图3）

图 3. (a) 水接触角，(b) 纯水通量，(c) 样品 Ms1-Ms4 的碳颗粒分离效率。

（4）在恶劣环境中表现出良好稳定性

制备的 PTFE 纳米纤维膜在恶劣环境下具有出色的稳定性。在化学稳定性测试中，将膜分别浸泡在强酸（pH=2 的 HCl）、强碱（pH=12 的 NaOH）和高浓度次氯酸钠（1000 ppm NaClO）溶液中 7 天，水接触角虽有所增加，但仍保持相对较低水平，表明膜的亲水性在恶劣化学环境下依然能够维持。在耐磨性测试中，经过 100 次摩擦循环（在 1000 目砂纸上放置 5g 重物）后，膜的宏观结构和性能没有明显变化，体现了良好的耐磨性能。（见图4）

图 4. (a) 样品 M3-10 在 0.05 MPa 下对水和墨水溶液进行 60 分钟循环稳定性测试，随后进行 10 分钟的物理水力清洗；(b) 样品 M3、M3-0、M3-10 的长时间稳定性；(c) 样品 M3-30 在 pH=2 HCl、pH=12 NaOH 和 1000 ppm NaClO 溶液中浸泡 7 天后的 WCA；(d) M3、M3-0、M3-10 在 100 次摩擦循环前后的数字图像；(e) M3、M3-0、M3-10 在 0、20 和 100 次摩擦循环后的 WCA。

三：结论与展望

聚四氟乙烯（PTFE）膜因其出色的稳定性，在恶劣环境下处理废水极具潜力。然而，双轴拉伸 PTFE 膜的孔隙结构优化和功能改性存在困难，这限制了它在液体分离领域的进一步应用。因此本研究提出一种简单高效的制备静电纺丝 PTFE 纳米纤维膜并对其进行亲水改性的方法。该方法通过调整纺丝载体聚环氧乙烷（PEO）与 PTFE 的质量比来优化 PTFE 纳米纤维膜的孔隙结构，然后在膜的孔隙表面引入缩醛化聚乙烯醇（PVA）以提高亲水性。

平均孔径从 288.5nm 变为 161.3nm，水接触角从 135.7° 降至 50.9°，这不仅使水渗透通量从 68.56 L・m⁻²・h⁻¹ 增加到 1056.16 L・m⁻²・h⁻¹，而且对碳（1μm）和二氧化硅（100nm）颗粒的截留率分别达到 99.3% 和 97.3%。同时，所得 PTFE 纳米纤维膜在长期暴露于恶劣环境（pH = 2 的 HCl、pH = 12 的 NaOH、1000 ppm 的 NaClO）和 100 次摩擦循环（1000 目砂纸上放置 5g 重物）后，也表现出优异的亲水稳定性。这种制备亲水性 PTFE 纳米纤维膜的方法在废水处理实际应用中展现出巨大潜力。

文章来源：https://www.wemaxnano.com/products/em/

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129494