福州大学赖跃坤教授&黄剑莹教授Advanced Fiber Materials：高性能空气/水过滤双功能电纺膜

易丝帮易丝帮 2025年05月16日 14:10

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随着全球工业化进程的迅猛推进，超细固体颗粒物（PM）引发的空气与水体污染问题日益严峻，严重威胁生态系统稳定与人类健康。传统的纤维过滤材料因结构单一性，在空气过滤领域难以兼顾超细颗粒物的精准截留与低空气阻力的需求，在水过滤领域难以兼顾超细污染颗粒的高效拦截和高水通量的需求。更为关键的是，当前大多数研究视角多集中于单一场景处理，导致先进过滤材料难以实现跨领域的协同应用。因此，开发兼具超细颗粒高效拦截、低压降及高通量的新型多功能纤维过滤材料，成为突破污染治理瓶颈的关键。

近日，福州大学赖跃坤教授和黄剑莹教授团队在期刊《Advanced Fiber Materials》上，发表了最新研究成果“Ultrafine Nanofiber-based Membrane with Rational Hierarchical Networks for Efficient and High-flux Air and Water Purification”。研究者通过创新的“射流分支静电纺丝技术”，成功引入PQ-10而有效地优化PTT前驱体溶液的性质，从而促进了射流支化，导致形成基于超细纳米纤维的多尺度结构纤维膜，可同时实现空气和水体中超细颗粒污染物的高效拦截，兼具低压降、高通量及长效等优势。这一突破性成果为环境污染治理提供了新型高效解决方案，在空气净化、水处理等领域展现广阔应用前景。

图1：多尺度纤维膜的制备技术及应用。

如图1a所示，作者通过静电纺丝技术一步法制备了PTT@PQ-10多尺度纤维膜，聚季铵盐-10诱导射流支化形成超细（31±5 nm）、中等（89±21 nm）和粗亚微米（314±130 nm）多尺度结构纤维膜。超细纤维的高比表面积与多级孔隙协同作用，使膜在低空气阻力下高效截留PM0.3等超细颗粒，并同步实现水中100-300 nm污染物的快速过滤，同时保持超高水通量，兼具功能性与实用性（图1b-c）。

图2：PQ-10 对溶液性质、纤维形态和纤维膜结构的影响。

如图2所示，作者系统探究了聚电解质PQ-10对PTT静电纺丝溶液性质及纤维膜结构的调控机制。正如图2a-c可见，PQ-10作为阳离子聚电解质，影响表面张力，显著提升纺丝溶液电导率和粘度特性，从而促进射流支化形成多尺度纤维。实验表明，PTT浓度在6 wt%，PQ-10浓度在0.8 wt%时达到最优平衡（图2d-g）。该材料具有0.603 μm的超小孔径，比表面积提升至14.32 m² g⁻¹ （图2h-i）。研究证实，多尺度纤维膜的制备不仅显著提升了污染物捕获效率，同时保证了材料的工艺可控性，为开发高性能过滤材料提供了新思路。

图3：多尺度纤维膜的空气过滤性能及机理。

作者还探究了PTT@PQ-10多尺度纤维膜的空气过滤性能及其主要过滤机理。实验结果表明，当PQ-10浓度优化至0.8 wt%时，纤维膜对最难截留的PM0.3颗粒的过滤效率达到99.96%，同时压降仅88 Pa，品质因子（QF）高达0.089 Pa⁻¹ ，展现出优异的过滤性能。通过调控PTT浓度和基重，进一步优化了膜结构，使其在保持99.90%以上PM0.3截留率的同时实现与低阻力的最佳平衡（图3a-f）。多尺度纤维膜通过布朗扩散捕获PM0.3和PM0.5，并通过物理拦截、重力沉降和惯性作用过滤PM1.0和PM3.0（图3h），为微纳颗粒分离提供创新解决方案。

图4：多尺度纤维膜的综合空气过滤性能及比较。

作者系统对比了PTT@PQ-10多尺度纤维膜的综合过滤性能表现。实验结果显示，该材料在10-85 L min⁻¹ 气流速率范围内保持99.90%以上的PM0.3稳定截留率，显著优于商用滤材（图4a）。经30次循环测试后，其效率仍维持在99.90%以上，压降仅增加5 Pa（图4b）。多尺度结构能有效截留颗粒并形成表面沉积层，同时保持结构完整性（图4c）。在120分钟连续过滤测试中，其效率高于99.90%的性能稳定性较商用口罩更具优势（图4d）。突破了传统材料效率与阻力难以兼顾的技术瓶颈，为重污染环境下的空气净化提供了创新解决方案。

图5：多尺度纤维膜的水过滤性能。

作者还对PTT@PQ-10多尺度纤维膜的水过滤性能进行探究。图5a是膜的水过滤过程和使用的装置。实验结果表明，通过引入PQ-10，纤维膜亲水性显著提升，纯水通量远远高于商用尼龙滤膜（CM4）（图5b-c）。对PTT、PQ-10浓度以及基重进行优化后发现多尺度纤维膜在5-20 kPa驱动压力范围内对100-300 nm二氧化钛颗粒的截留效率稳定在99.5%以上。特别值得注意的是，该膜在低驱动压力下仍可实现超过4000 L m ⁻ ² h⁻¹的高通量，能耗优势显著（图5d-g）。与同类研究相比，该材料在低压条件下同时实现了高通量与高截留率的突破，为高效节能的水处理技术开发提供了新思路。

图6：多尺度纤维膜的长效、循环及实际应用的水过滤性能。

作者通过对比实验验证了PTT@PQ-10多尺度纤维膜优异的综合水过滤性能。在连续过滤测试中，该膜的截留效率始终稳定在99.0%以上，远高于纯PTT纤维膜，同时始终保持比商用尼龙滤膜（CM4）高的水通量。经过10次循环使用后，该膜仍可维持99.0%以上的截留率，证实其优异的抗污染性和可重复使用性（图6a-b和图6d-e）。在电镜图中发现，多尺度纤维网络能有效形成类似于商用尼龙滤膜的表面滤饼层（图6c）。实际应用测试中，浑浊河水经过多尺度纤维膜过滤后变得澄清至接近零吸光度（图6f）。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00551-8

人物简介

赖跃坤，福州大学化工学院福建省"闽江特聘"教授/博导。国家万人计划领军人才，2018-2023全球高被引科学家&2024中国高被引学者，Chemical Engineering Journal副主编。长期从事功能膜层表界面特殊浸润性研究，及其在多相分离与纯化净化、医用植入材料和柔性传感器件等方面应用研究。主持国家科技部重点研发项目课题、国家自然科学基金和省部级课题8项，以通讯或第一作者发表在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Matter、Adv. Funct. Mater.、Environ. Sci. Technol.、Chem. Eng. J.等专业期刊上发表论文200余篇，20余篇封面论文，ESI热点论文和ESI高被引论文32篇，SCI他引26000余次，H-index为89；申报PCT专利10件、中国发明专利40余件，已授权30余件；荣获侯德榜化工科学技术奖、产学研合作创新奖、教育部高等学校自然科学二等奖、福建省自然科学论文一等奖，福建省自然科学二等奖，中国材料研究学会自然科学奖二等奖，福建省“杰出青年”基金和“百人计划”项目，以及Chem Commun期刊Pioneering Investigators, I&ECR Influential Reserchers, JMCA Emerging Investigators和德国"洪堡学者"等。

黄剑莹，福州大学教授，博士生导师。入选2019-2022年全球高被引科学家榜单、福建省高层次创新创业人才（B类）、泉州市高层次创新创业人才（第二层次）等。致力于功能性纺织纤维材料、油水分离材料、浸润性仿生材料及其多相过滤分离应用研究，主持参与科研项目10余项。在Energy Environ Sci、Adv Mater、Adv Funct Mater、Small、Chem Eng J、J Mater Chem A等期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文20余篇，论文SCI引用17000余次。

论文信息

Xiaoqing Gao, Yuchen Yang, Yukui Gou, Nan Lu, Pinmei Yan, Hong Liu, Mengtong Yi, Weilong Cai, Jianying Huang*, Yuekun Lai*. Ultrafine Nanofiber-based Membrane with Rational Hierarchical Networks for Efficient and High-flux Air and Water Purification. Adv. Fiber Mater., (2025), https://doi.org/10.1007/s42765-025-00551-8

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