二氧化钛纳米线构筑无机分离膜

This project will focus on study of the high performance inorganic separation membrane assembled with titania nanowires as basic units. The inorganic separation membrane with high porosity and high flux performance is obtained by well-understanding the influence factor of the assembly process of nanowires. Ceramic or ceramic-metal composite membrane can be obtained by optimizing the formation conditions using porous ceramic or metal support. The formation and assembly mechanism of one-dimensional nanowires are studied. An effective route is provided for large-scale preparation of well-dispersed nanowires with surface modification, and to realize the rational preparation and assembly of titania nanowires. Experimental and theoretical foundation is provided for further study of the porous separation membrane performance and application. In respect of the industry demand of separation membrane, the high performance inorganic separation membrane assembly with titania nanowires are obtained considering the recent development of assembly of nanomaterials. The inorganic membranes are widely used in the separation area with the advantage of high efficiency, and has great prospect of commercialization. The inorganic membranes will play important roles, particularly, in environment-related fields, such as energy saving and emission reduction, improving and protecting the ecological environment.

本项目拟开展以一维二氧化钛纳米线为构筑单元组装制备高性能无机分离膜的研究。深入理解一维纳米线在形成聚集体过程中的影响因素，设计制备具有高孔隙率、高通量、性能优异的无机分离膜材料。通过调控成膜条件，获得以多孔陶瓷或多孔金属为支撑体的陶瓷膜或陶瓷金属复合膜。探究一维纳米材料的形成和组装规律，提出有效的二氧化钛纳米线规模化制备路线，获得分散性好、表面性质可调控的二氧化钛纳米线，实现二氧化钛纳米线的可控制备及组装，为进一步开展多孔分离膜材料的性能研究和应用提供实验基础和理论依据。本项目围绕膜分离产业需求，结合近年来在纳米材料组装研究领域的最新进展，利用二氧化钛纳米线构筑高性能无机膜分离材料。无机分离膜技术在分离领域具有高效、适用范围广等优势，有着广阔的商业化应用前景，特别是在环境相关领域，对于节能减排、改善生态方面会发挥重要的作用。

本项目开展了高通量、高选择性并且机械性能稳定的无机分离膜的制备研究，获得了高性能的无机分离膜。纳米线堆砌所形成的孔隙率可以达到70%以上，远高于球形粒子堆砌的孔隙率，可以保证所形成的多孔薄膜具有高通量。通过对二氧化钛纳米线进行表面修饰，提高了纳米线的稳定性，并且改变了表面的润湿性能，获得了具有特殊润湿性能的分离膜。.以不锈钢丝网作为支撑体，制备了具有高孔隙率、高通量、性能优异的无机分离膜材料。探究了一维纳米线在形成聚集体过程中的影响因素，将二氧化钛纳米线沉积在不锈钢丝网上，制备了具有优异水下超疏油性能的二氧化钛-金属丝网复合膜。该复合膜表现出超高通量，纯水通量达到2.74×10∧6 L·m−2·h−1·bar-1，对含有表面活性剂的乳化油的分离效率超过99%；以多孔金属为支撑体制备了二氧化钛纳米线超滤膜。将超细钛酸纳米线沉积在多孔钛基底上获得了具有较高纯水通量（900 L·m−2·h−1·bar-1）的超滤分离膜，该分离膜对牛血清蛋白有很高的截留率（大于98%）；利用PVDF进行修饰，在二氧化钛纳米线表面形成纳米级的均匀包覆层，制备了具有液下超双疏性能的油水分离复合膜。表面PVDF包覆极大提高了二氧化钛纳米线的机械强度以及柔韧性，并使其表面润湿性发生了变化。PVDF提供液下双疏性能，二氧化钛纳米线提供了微纳结构，二者的协同作用使得PVDF修饰的二氧化钛纳米线膜具有了液下超双疏性能，其润湿性可以在油下超疏水性和水下超疏油性两者之间可逆切换。PVDF-二氧化钛纳米线复合膜既可以分离水包油乳化液，也可以分离油包水乳化液，还可以交替分离水包油和油包水乳化液，分离效率可达99%以上。.本项目在高性能无机膜分离材料方面的成果，为进一步开展分离膜的性能研究和产业化应用提供了实验基础和理论依据。相关无机分离膜材料具有高效、适用范围广等优势，在水处理和空气净化领域有着广阔的产业化应用前景。