醋酸纤维素/CoCeFe层状双氢氧化物基自清洁吸附膜用于高效染料去除

《Polymer》：Cellulose acetate/CoCeFe layered double hydroxide based self-cleaning adsorptive membrane for efficient dye removal

　　

在废水处理中，开发能够同时实现染料分离和自清洁的多功能膜仍然是一个重大挑战。在这项研究中，研究人员通过非溶剂诱导相分离（NIPS）法，将三元CoCeFe层状双氢氧化物（LDH）纳米颗粒掺入醋酸纤维素（CA）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基体中，制备了一种新型自清洁吸附膜。利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描和透射电子显微镜（SEM和TEM）、X射线光电子能谱（XPS）以及能量色散X射线光谱（EDS）结合元素映射对合成的CoCeFe LDH进行了全面表征。结构和表面分析证实了CoCeFe LDH成功掺入膜基体，导致亲水性、表面粗糙度和互连多孔结构增强。优化后的膜仅含有0.05 wt.%的CoCeFe LDH，在中性pH和0.5 bar下表现出124.3 L m^-2 h^-1的高纯水通量，以及优异的亚甲基蓝（MB）截留率（>99%）。染料去除受协同吸附和尺寸排阻机制控制。此外，该膜在可见光下和H₂O₂存在下表现出高效的光催化再生能力，优于常规化学清洗，并在九次重复使用循环后保持超过90%的MB截留率。这些发现表明，所开发的CA/PVP/CoCeFe LDH膜可作为染料污染废水处理的耐用、低负载、环境可持续平台。

研究背景：工业化与城市化导致含染料废水排放持续增加，合成染料因芳香结构复杂、化学稳定性高而难以生物降解，传统处理方法（吸附、化学氧化、生物处理）均存在局限：吸附系统受限于再生困难、动力学慢；化学法产生二次污泥；生物法效率低。膜技术虽具连续操作优势，但单一聚合物膜面临渗透性-选择性权衡及严重膜污染问题。为此，研究人员开展本研究，旨在通过将三元CoCeFe层状双氢氧化物（LDH）纳米颗粒引入醋酸纤维素（CA）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基体，构建集吸附、分离与可见光催化自清洁于一体的多功能膜。该研究成功制备并系统表征了CA/PVP/CoCeFe LDH膜，证实仅需0.05 wt.%的LDH即可实现高纯水通量（124.3 L m^-2 h^-1）和>99%的亚甲基蓝（MB）截留率，且在H₂O₂辅助可见光条件下实现高效光催化再生，九次循环后MB截留率仍>90%。研究成果表明该膜平台兼具耐久性、低负载和环境可持续性，为染料污染废水处理提供了新策略。该论文发表在《Polymer》期刊上。

关键技术方法：研究人员采用以下主要方法：1）通过共沉淀法合成CoCeFe LDH纳米颗粒；2）采用非溶剂诱导相分离（NIPS）法制备含不同LDH含量的CA/PVP/CoCeFe LDH膜；3）利用XRD、FTIR、SEM、TEM、XPS、EDS结合元素映射对LDH及膜进行结构与表面表征；4）通过纯水通量测试、MB截留实验、吸附等温线与动力学模型、可见光/H₂O₂光催化再生实验评估膜性能；5）以MB为模型染料（水溶液中）。

研究结果：

**Characterization of the CoCeFe LDH（CoCeFe LDH表征）**：通过XRD分析，在2θ值11.5°、23.3°、34.1°、38.8°、46.1°、59.3°和60.7°处检测到分别对应(003)、(006)、(012)、(015)、(018)、(110)和(113)晶面的衍射峰，证实了高纯度CoCeFe LDH的晶体结构及铈离子成功掺入CoFe LDH晶格。FTIR、SEM、TEM及XPS进一步验证了LDH的化学组成与形貌。

**Membrane characterization（膜表征）**：接触角测量显示LDH掺入后膜表面亲水性显著增强（接触角降低）；SEM图像表明膜表面粗糙度增加并形成互连多孔结构；EDS元素映射证实Co、Ce、Fe元素在膜内均匀分布。

**Filtration performance of the membranes（膜过滤性能）**：优化膜（含0.05 wt.% CoCeFe LDH）在0.5 bar和中性pH下纯水通量达124.3 L m^-2 h^-1，MB截留率>99%。增加LDH含量（>0.05 wt.%）导致通量下降但截留率维持不变。

**Dye removal mechanism（染料去除机制）**：吸附等温线符合Langmuir模型，动力学符合准二级模型，表明化学吸附主导；结合尺寸排阻效应，表现为协同吸附-筛分机制。

**Regeneration and reusability（再生与重复使用性）**：可见光/H₂O₂条件下，膜表现出显著光催化自清洁能力，九次循环后MB截留率仍>90%，优于常规化学清洗（碱性/酸性溶液）。

总结讨论：研究人员指出，CoCeFe LDH的引入通过增强亲水性、粗糙度及孔连通性改善了膜性能，而LDH中Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对及Co、Fe活性位点协同促进了可见光催化活性，实现膜污染原位降解。与传统二元LDH相比，三元体系具有更优电荷分离效率，抑制电子-空穴复合。该膜在低LDH负载下即实现高分离效率与自清洁再生，避免了频繁化学清洗带来的二次污染与膜损伤，展示了其在染料废水处理中的实际应用潜力。

研究结论翻译：本研究成功制备并评估了多功能CA/PVP/CoCeFe LDH纳米复合膜用于染料去除和光催化自清洁。CoCeFe LDH纳米颗粒的掺入通过增强亲水性、表面粗糙度和孔互连性显著改善了膜物理化学性能。优化膜（含5 wt.% PVP和0.05 wt.% CoCeFe LDH）表现出高纯水渗透性（124.3 L m^-2 h^-1），同时在0.5 bar和中性pH下对MB截留率>99%。该膜在H₂O₂存在下的可见光照射下展示了高效的光催化自清洁能力，九次重复使用循环后仍保持>90%的MB截留率。这些发现表明，所开发的膜可作为染料污染废水处理的耐久、低负载、环境可持续平台。