南工大陈苏教授团队：微流控静电纺丝技术实现纳米纤维膜宏量制备，助力污水净化

南工大陈苏教授团队：微流控静电纺丝技术实现纳米纤维膜宏量制备，助力污水净化

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JI03AAHM05329TW8.html

纺织印染、造纸和印刷工业的快速发展带来了严重的染料污染问题，不仅对环境造成威胁，还严重危害人类健康。因此，开发新材料和技术去除废水中的染料物质成为研究重点。纳米纤维膜由于其高孔隙率和大比表面积，在膜分离和污水处理等领域展现出巨大潜力。静电纺丝技术作为一种可灵活调控纤维微形貌的纺丝手段，近年来受到广泛关注。然而，传统静电纺丝技术在宏量制备纳米纤维膜方面存在局限性，且纺丝过程中电场分布不均导致纳米纤维分布均匀性较差，影响其在染料分离方面的应用效果。

针对上述问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授团队创新性地将微流控技术与传统静电纺丝技术相结合，设计出具有四通道的微流控芯片，实现了纳米纤维膜的宏量高效制备，显著提升了纺丝效率。研究团队首先利用微流控芯片原位合成了具有均匀性的氧化石墨烯-聚多巴胺（GO-PDA）材料，然后借助微流控多通道静电纺丝设备（由南京捷纳思新材料有限公司提供）高效制备了GO-PDA/热塑性聚氨酯（GO-PDA/TPU）复合纤维膜。

研究发现，GO-PDA不仅提高了复合纤维膜的机械强度和亲水性，还赋予了该膜对单一和混合染料的高效吸附和分离能力。实验结果表明，GO-PDA/TPU复合纤维膜对阳离子染料表现出优异的选择性，去除效率高达99 wt%。此外，该纤维膜具有出色的耐用性和可重用性，经过5次回收后仍能保持95 wt%以上的高吸附率。

这项研究具有以下显著优点：

1. 设计特定的微流控芯片精确控制GO和DA的反应，实现了一步法快速合成产品，且产品均匀性极佳。
2. 采用微流控静电纺丝技术制备GO-PDA/TPU复合纤维膜，借助四通道微流控芯片，使纺丝效率提升4倍以上。
3. GO-PDA不仅提高了复合纤维膜的机械强度和亲水性，还使其具有电负性，实现染料的选择性吸附和分离。

该研究成果发表在国际重要期刊《Separation and Purification Technology》上，南京工业大学硕士研究生陆家乐为第一作者，陈苏教授和李国星博士后为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金项目、江苏省高等学校重点学科建设项目、江苏省自然科学基金等基金的资助和支持，充分体现了微流控纺丝技术中芯片在纺丝化学的魅力与强大功效。

图1. 微流控芯片中GO-PDA的制造示意图（a），通过四通道芯片的微流体静电纺丝高效生产GO-PDA/TPU复合纤维膜的示意图（b），GO-PDA/TPU纤维膜对阳离子和阴离子染料的吸附和分离机理示意图（c）

图2. GO的SEM图像（a, b）和TEM图像（c），GO-PDA的SEM图像（d, e）和TEM图像（f），GO-PDA中C、O、N元素的EDS图谱（g-i），GO和PDA的AFM图像（j, k），GO、PDA和GO-PDA的接触角图像（l）

图3. GO、PDA和GO-PDA的XRD图谱（a）、拉曼光谱（b）和傅立叶变换红外光谱（c），GO和GO-PDA的TGA曲线、DTG曲线和UV-Vis光谱（d）

图4. GO和GO-PDA的高分辨率XPS光谱（a），GO的C 1s和O 1s的XPS光谱（b, d），GO-PDA的C 1s、O 1s和N 1s的XPS光谱（c, e, f）

图5. TPU和不同GO-PDA含量的GO-PDA/TPU纤维膜的SEM图像和尺寸分布（a-d），TPU、GO-PDA和GO-PDA/TPU的XRD图（e）、拉曼光谱（f）和傅立叶变换红外光谱（g）

图6. 不同GO-PDA含量的GO-PDA/TPU纤维膜的水接触角（a）和应力-应变曲线（b），GO-PDA/TPU纤维膜的氮吸附曲线和孔径分布（c）

图7. GO-PDA/TPU纤维膜对阳离子和阴离子染料的吸附和分离机理示意图（a），TPU和不同GO-PDA含量的GO-PDA/TPU纤维膜对MO、MB、MG、CR和CV染料溶液的去除率（b），MO、MB、MG、CR和CV溶液在通过纯TPU和GO-PDA/TPU膜过滤前后的紫外可见吸收光谱（c-g）

图8. MO/MB、MO/MG、MO/CR和MO/CV混合染料溶液通过纯TPU和GO-PDA/TPU膜过滤前后的紫外可见吸收光谱（a-d），TPU和GO-PDA/TPU膜对MO/MB、MO/MG、MO/CR和MO/CV混合染料溶液的吸附能力（e），MB/MG、MB/CR和MB/CV混合染料溶液在通过纯TPU和GO-PDA/TPU膜过滤前后的紫外可见吸收光谱（f-h），TPU和GO-PDA/TPU膜对MB/MG、MB/CR和MB/CV混合染料溶液的吸附能力（i）

图9. TPU和GO-PDA/TPU膜的纯水通量（a），GO-PDA/TPU膜在MG、CR和CV溶液中的循环稳定性（b-d），GO-PDA/TPU膜在酸性溶液（pH=2）和碱性溶液（pH=10）中的长期稳定性（e）

图10. 微流控多通道静电纺丝机（南京捷纳思新材料有限公司与南京贝耳时代科技有限公司联合研制）