自洁光催化MXene复合膜协同强化水处理:油水分离和染料去除
一、文章概述
膜分离技术已广泛应用于水处理，但在实际应用中，膜表面污染物的积累仍是不可避免的。光催化技术是一种有效的、环境友好的污染物降解方法。在这里，我们报道了一种简单的方法来制备新的二维(2D) Bi2O2CO3@MXene光催化复合膜及其在水处理中的多功能能力。实验结果表明，掺入N掺杂Bi2O2CO3纳米颗粒(815.3L⋅m−2⋅h−1)后，复合膜具有超高的水通量。对3种不同类型的油水乳剂的截取率均在99%以上，通过膜分离、吸附和光降解获得了优良的染料去除率，分别约为99.9%(刚果红)、98%(台班蓝)和98.4%(罗丹明B)。最重要的是，复合膜在可见光照射下连续5次循环后仍保持稳定的通透性和选择性。通过密度泛函理论(DFT)计算和有限元方法(FEM)分析，分别揭示了提高光催化活性和膜透性的机理。二、图文导读
图1所示。N-Bi2O2CO3@MXene/PES复合膜工艺示意图。
图2所示。(a) MAX (Ti3AlC2)、MXene (Ti3C2Tx)、BOC和N-BOC的XRD谱图;(b) MXene纳米片的AFM图像;(c) MAX (c1)、MXene (c2)、BOC (c3)和N-BOC (c4)的SEM图像;(d) MXene纳米薄片不同放大倍数(d1和d2)的TEM图、HRTEM图(d3)和SAED图(d4)。
图3所示。(a) MXM， (b) BMXM和(c) N-BMXM的表面和截面扫描电镜图像。
图4所示。(a)不同膜滴龄的水接触角;(b)复合膜的XRD， (c)纯水和O/W乳液通量，(d)膜的截油率。
图5. 暗光和可见光照射下 BMXM (a) 和 N-BMXM (b) 的通量；BMXM 和 N-BMXM 在黑暗 (c) 和可见光照射条件 (d) 下的拒绝率以及重复使用循环。
图6所示。NBOC@MXene/PES复合膜的分离及光催化降解机理。
图7所示。Bi2O2CO3 (a)和N-Bi2O2CO3(b)的晶体结构和电子分布Bi2O2CO3(c)和NBi2O2CO3(d)的能带结构和态密度;Bi2O2CO3 (e)和N-Bi2O2CO3 (f)的导带和价带。
图8所示。MXene缝内水流的有限元分析:(a)有缺陷和无缺陷的三层MXene的三维模型。0表示无缺陷，1表示有缺陷;(b)(000)、(100)、(010)等不同缺陷形成时MXene缝内水流的速度分布;(c)不同缺陷形成情况下的出水流速分布。插入的图像是出口周围放大的速度分布。三、全文总结
综上所述，采用简易的真空辅助过滤法成功地制备了一系列光催化复合膜。由于分离机理不同，该膜对不溶性油/水乳液和可溶性有机染料等不同废水表现出多功能分离性能。结果表明，在0.1 MPa条件下，复合膜的渗透率为815.3 L⋅m−2⋅h−1，除油率、除染料率均较高，打破了选择性与渗透率之间的平衡关系。这是由于层间间距和渗透通道增大所致。此外，N-Bi2O2CO3@MXene/PES复合膜对废水中油水乳状液的截取率接近100%，在可见光照射下，该复合膜对不同染料的去除率均超过98%。更重要的是，经过多次循环试验，复合膜具有良好的可回收性和自清洁能力。DFT模拟表明，N元素的掺杂对提高光催化活性有积极作用。NBOC与MXene之间的二维/二维异质结结构也促进了N-BOC优异的光催化活性。文章研究利用二维材料与光催化剂之间的协同效应，为多功能膜材料的设计和开发提供了一种新的策略。文章链接： https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131916
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