Stabilizing MXene-based nanofiltration membrane by forming analogous semi-interpenetrating network architecture using flexible poly(acrylic acid) for effective wastewater treatment

纳滤 丙烯酸 聚丙烯腈 材料科学 化学工程 高分子化学 化学 聚合物 复合材料 共聚物 生物化学 工程类
作者
Yuting Zhang,Suhong Li,Rong Rong Huang,Jing He,Yufei Sun,Yanyan Qin,Lingdi Shen
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:648: 120360-120360 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.120360
摘要

Two-dimension MXene (Ti3C2Tx) membrane has attracted widespread interest in water treatment to relieve the problem of clean water shortage. Nevertheless, notorious swelling and subsequent instability problems of the MXene-based membrane when immersing in water hinder its wide application, owing to the weak interaction between the adjacent MXene laminates. Herein, a feasible strategy is proposed to stabilize and tune the nanochannels of MXene-based membranes and achieve superior nanofiltration efficiency. Poly(acrylic acid) (PAA) macromolecules are firstly inserted into the MXene nanosheets and form PAA-modified MXene (PAA-MXene) dispersion. Then, the dispersion is vacuum filtered on the electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibrous substrate to form an ultra-thin PAA-MXene hydrogel barrier layer, thus assembling into PAA-MXene/PAN composite membrane. The MXene laminates will be intertwined by the long chain of flexible PAA macromolecules and thus form homologous semi-interpenetrating network structure with MXene as physical crosslinker through strong hydrogen-bond interaction, which will restrict the obvious structural change of MXene nanosheets and effectively adjust their d-spacing at ∼14.28 Å with MXene: PAA mass ratio of 1:0.5. The synergic effect of PAA and MXene nanosheets, as well as electrospun PAN nanofibrous substrate, endows the PAA-MXene/PAN membrane with superior nanofiltration performance to various dyes. The optimum PAA-MXene/PAN membrane possesses permeate fluxes of 271.26, 516.34, 300.83 L m−2 h−1 and rejections of 98.92%, 99.52%, 98.12% to DR80, AB8GX and AB90 at 0.1 MPa, respectively, which exhibit distinct advantage than the MXene-based membrane in literature. In addition, the PAA-MXene/PAN membrane has good long-time durability and is more suitable for low pressure nanofiltration. All these make PAA-MXene/PAN membrane a promising nanofiltration membrane for wastewater treatment.
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