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闫业海教授课题组在高性能聚合物分离膜方面取得系列进展

发布时间:2021-04-23 作者: 点击:[]次

淡水资源短缺和水污染严重是导致水资源日益成为稀缺资源的主要原因,水资源问题更成为关系到国家经济、社会可持续发展和人民生命健康的重要问题。膜分离技术因其低能耗、低成本、分离效率高等优点,成为获取水资源的主要技术。近年,闫业海教授及课题组内张广法副教授、高爱林副教授在开发新型高效分离膜材料方面开展了大量工作,并取得系列进展。

在海水淡化用分离膜领域,为进一步提高膜的脱盐效率和产水率,课题组分别研究了双疏型蒸馏用膜和高效界面光热转换膜。针对膜蒸馏技术中,单一疏水型聚合物膜容易被含有机溶剂或表面活性剂的原料液润湿,进而导致膜污染和截盐率下降的问题,课题组巧妙利用NIPS法制膜过程中易于得到的互穿网络膜孔结构提供构建双疏表面的倒悬结构。获得的疏水疏油聚砜膜对水和有机溶剂均表现出抗浸润性,延长膜蒸馏使用周期(见图1)。该研究成果发表于膜领域top期刊Journal of Membrane Science(IF 7.18),第一作者为硕士生范慧琴。https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.117933

界面光热转换膜可利用太阳能作为加热源,实现对海水的蒸发收集。其中提高光热转换界面层的光热转换效率是提高水蒸发速率的关键。课题组将还原氧化石墨烯(rGO)包覆的聚苯乙烯微球沉积于聚砜膜表面,构建具有高度粗糙结构的rGO吸光层,进一步提高了膜表面对太阳光的吸收效率(96%),水蒸发速率可提高至1.86 kg m-2h-1,见图2。相关工作已发表于Chemical Engineering Journal(IF 10.65),第一作者为硕士生范慧琴。https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128798

图1双疏型聚砜膜的形貌、浸润性与膜蒸馏性能

图2 rGO/PS/PSf光热转换膜实现水蒸发速率提升

课题组在超浸润分离与吸附材料领域发展了水下超疏油PVDF膜、Janus石墨烯气凝胶和气体二极管膜等。基于多巴胺的贻贝仿生粘附特性和壳聚糖的优异亲水及染料吸附性质,通过络氨酸酶催化下的一步协同共沉积法构筑得到水下超疏油的PVDF微滤/超滤膜,展现出优异的油水分离及超低油污损性能,并实现原位的阴离子染料选择性吸附,如图3所示。相关工作发表于期刊Chemical Engineering Journal(IF 10.65)。https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.03.089

受荷叶等具有非对称超浸润性材料启发,以氧化石墨烯(GO)和聚乙烯醇(PVA)为构筑单元制得新型的Janus GO/PVA气凝胶;该气凝胶可实现不同种类高度稳定化乳液的可控按需分离;在重力驱动下,即可获得高分离通量和高选择性,分离性能远优于传统商业聚合物膜,见图4。相关研究成果发表于期刊ACS Applied Materials & Interfaces(IF 8.74),第一作者为硕士生李玉珍。https://doi.org/10.1021/acsami.9b11277

考虑将Janus分离材料用于气体分离领域,制备出可用于化学反应过程耦合的Janus聚合物膜。该Janus膜两侧表现出对气泡明显不同的浸润行为,并具有对气泡的单向透过性,可将其用于产气液相反应与耗气液相反应的耦合,例如将Janus膜连接产生CO2的反应与消耗CO2的反应,可实现温室气体的原位消耗与转换。相关研究成果发表于期刊Journal of Colloid and Interface Science(IF 7.48)。https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.08.105

此前,课题组还提出一种窄孔径分布的、双连续均孔膜的制备方法。良好的孔道贯穿性和致密皮层的缺失有利于提高渗透性;而均一的纳米级膜孔结构有利于提高选择透过性。相关研究成果发表于期刊Separation and Purification Technology(IF 5.77)。https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115693

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图3超浸润PVDF膜的制备路线

图4 Janus石墨烯基气凝胶油水乳液分离效率

以上研究得到国家自然科学基金(51803105, 51703113, 51703111)和山东省自然科学基金(ZR2019QEM002,ZR2017BEM039,ZR2017BEM011)的资助支持。

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