文献导读：

含复杂气体成分和油性颗粒物(PM)的高温烟气的过滤对空气过滤膜的设计提出了很大的挑战。鉴于此，南京工业大学仲兆祥教授提出了一种新型膜材料，解决了过滤含油性颗粒物质的高温烟气的挑战。相关研究内容以“Zr doped flexible TiO₂ nanofibrous membranes for high-efficiency oily particulate matter removal from high temperature flue gas”为内容，发表于期刊《Journal of Membrane Science》上。

本文要点：

1、这项研究道了一种柔性和多孔zr掺杂TiO₂纳米纤维膜(Zr-TiO₂NFM)的制备，用于从高温烟气中去除油性PM。

2、Zr⁴⁺离子的掺杂不仅提高了材料的机械强度，抗拉强度高达78 MPa，而且具有较高的比面积(68.34 m²g⁻¹)。制备的Zr-TiO₂NFMs在350℃下过滤5次后，过滤效率高达99.98%，压降为96 Pa，长期稳定性好。

3、在200℃以下，油颗粒会附着、聚并扩散，在纤维上形成油膜。与油性颗粒不同，当温度高于200℃时，非油性颗粒会附着并积聚在纤维上。

4、该研究为深入了解不同温度下PM的捕获过程和设计下一代高温烟气过滤膜提供了新的视角。

一张图读懂全文：

Zr离子的掺杂如何提高TiO₂纳米纤维膜的机械强度?

在TiO₂纳米纤维膜中掺杂Zr离子抑制了TiO₂纳米晶体在烧结过程中的生长，从而减小了颗粒尺寸，减少了纤维表面缺陷。这增强了机械性能，包括提高拉伸强度和弯曲能力。此外，Zr的掺杂增加了TiO₂纳米纤维的长径比，有助于提高膜的整体机械强度。

Zr掺杂TiO₂纳米纤维膜的柔韧性和孔隙度，如何有助于其有效去除高温烟气中的油性颗粒?

zr掺杂TiO₂纳米纤维膜的柔韧性和孔隙度对其去除高温烟气中含油颗粒物的有效性起着至关重要的作用。Zr的掺杂抑制了TiO₂纳米晶的生长，使得TiO₂纳米晶具有均匀的介孔结构，孔径小，比表面积增大。这种结构可以有效地捕获和保留膜表面的油性颗粒物质。膜的高比表面积和热稳定性进一步增强了其过滤性能，使其适用于高温烟气过滤应用。

图1 TiO₂纳米纤维和Zr-TiO₂纳米纤维膜的制备过程。

图2 高温过滤实验装置原理图。

图3 (a)易断裂的纯TiO₂垫的数码照片，(b)纯TiO₂纳米纤维的透射电镜图像，(c)柔性可弯曲的Zr_0.15Ti NFM的数码照片，(d) Zr_0.15Ti纳米纤维的透射电镜图像。

图4 扫描电镜图像和纤维膜的纤维直径分布。(a) TiO₂， (b) Zr_0.05Ti， (c) Zr_0.1Ti， (d) Zr_0.15Ti， (e) Zr_0.2Ti NFMs。

图5 (a) TiO₂纳米纤维、Zr_0.05Ti、Zr_0.1Ti、Zr_0.15Ti和Zr_0.2Ti NFM的XRD谱图，(b) TiO₂纳米纤维和Zr_0.15Ti NFM的XPS谱图，(c)Zr_0.15Ti NFM， (d-f) Ti, Zr和O的对应元素图，(g) TiO₂纳米纤维和(h) Zr_0.15Ti NFM的HRTEM图像。

图6 (a)不同Zr比纳米纤维膜的大孔径分布和(b) N₂渗透率；(c)不同基重纳米纤维膜的大孔径分布和(d)不同基重纳米纤维膜的N₂渗透率。

图7 (a) Zr-TiO₂纳米纤维膜的N₂吸附-解吸等温线，(b) BJH法对膜孔分布的分析，(c) Zr-TiO₂纳米纤维膜的应力-应变曲线，(d)具有可弯曲性和可折叠性的Zr_0.15Ti纳米纤维膜的光学图像。

图8 Zr0.15Ti NFMs过滤前(a)和过滤15 min后(b) 25^◦C， (C) 50^◦C， (d) 125°C， (e) 200°C， (f) 275°C， (g) 350°C 光学显微镜图像和SEM图像的照片。

图9 (a-c)示意图显示了25-350℃下Zr_0.15Ti nfm对PM的不同捕获过程。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.121700