自潔光催化MXene復合膜協(xié)同強化水處理:油水分離和染料去除
一、文章概述
膜分離技術(shù)已廣泛應用于水處理，但在實際應用中，膜表面污染物的積累仍是不可避免的。光催化技術(shù)是一種有效的、環(huán)境友好的污染物降解方法。在這里，我們報道了一種簡單的方法來制備新的二維(2D) Bi2O2CO3@MXene光催化復合膜及其在水處理中的多功能能力。實驗結(jié)果表明，摻入N摻雜Bi2O2CO3納米顆粒(815.3L⋅m−2⋅h−1)后，復合膜具有超高的水通量。對3種不同類型的油水乳劑的截取率均在99%以上，通過膜分離、吸附和光降解獲得了優(yōu)良的染料去除率，分別約為99.9%(剛果紅)、98%(臺班藍)和98.4%(羅丹明B)。最重要的是，復合膜在可見光照射下連續(xù)5次循環(huán)后仍保持穩(wěn)定的通透性和選擇性。通過密度泛函理論(DFT)計算和有限元方法(FEM)分析，分別揭示了提高光催化活性和膜透性的機理。二、圖文導讀
圖1所示。N-Bi2O2CO3@MXene/PES復合膜工藝示意圖。
圖2所示。(a) MAX (Ti3AlC2)、MXene (Ti3C2Tx)、BOC和N-BOC的XRD譜圖;(b) MXene納米片的AFM圖像;(c) MAX (c1)、MXene (c2)、BOC (c3)和N-BOC (c4)的SEM圖像;(d) MXene納米薄片不同放大倍數(shù)(d1和d2)的TEM圖、HRTEM圖(d3)和SAED圖(d4)。
圖3所示。(a) MXM， (b) BMXM和(c) N-BMXM的表面和截面掃描電鏡圖像。
圖4所示。(a)不同膜滴齡的水接觸角;(b)復合膜的XRD， (c)純水和O/W乳液通量，(d)膜的截油率。
圖5. 暗光和可見光照射下 BMXM (a) 和 N-BMXM (b) 的通量；BMXM 和 N-BMXM 在黑暗 (c) 和可見光照射條件 (d) 下的拒絕率以及重復使用循環(huán)。
圖6所示。NBOC@MXene/PES復合膜的分離及光催化降解機理。
圖7所示。Bi2O2CO3 (a)和N-Bi2O2CO3(b)的晶體結(jié)構(gòu)和電子分布Bi2O2CO3(c)和NBi2O2CO3(d)的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度;Bi2O2CO3 (e)和N-Bi2O2CO3 (f)的導帶和價帶。
圖8所示。MXene縫內(nèi)水流的有限元分析:(a)有缺陷和無缺陷的三層MXene的三維模型。0表示無缺陷，1表示有缺陷;(b)(000)、(100)、(010)等不同缺陷形成時MXene縫內(nèi)水流的速度分布;(c)不同缺陷形成情況下的出水流速分布。插入的圖像是出口周圍放大的速度分布。三、全文總結(jié)
綜上所述，采用簡易的真空輔助過濾法成功地制備了一系列光催化復合膜。由于分離機理不同，該膜對不溶性油/水乳液和可溶性有機染料等不同廢水表現(xiàn)出多功能分離性能。結(jié)果表明，在0.1 MPa條件下，復合膜的滲透率為815.3 L⋅m−2⋅h−1，除油率、除染料率均較高，打破了選擇性與滲透率之間的平衡關(guān)系。這是由于層間間距和滲透通道增大所致。此外，N-Bi2O2CO3@MXene/PES復合膜對廢水中油水乳狀液的截取率接近100%，在可見光照射下，該復合膜對不同染料的去除率均超過98%。更重要的是，經(jīng)過多次循環(huán)試驗，復合膜具有良好的可回收性和自清潔能力。DFT模擬表明，N元素的摻雜對提高光催化活性有積極作用。NBOC與MXene之間的二維/二維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也促進了N-BOC優(yōu)異的光催化活性。文章研究利用二維材料與光催化劑之間的協(xié)同效應，為多功能膜材料的設計和開發(fā)提供了一種新的策略。文章鏈接： https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131916
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