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刚性骨架 林亚凯
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具有刚性骨架共轭高分子微孔膜用于超快有机溶剂纳滤
《OIL实验室》微信公众号 / 时间:2018-11-02 07:47:52

  据OIL实验室微信公众平台2018年10月30日讯 与传统的分离净化过程(如蒸馏、挥发和吸附等)相比,膜技术凭借其节能高效安全环保的特点已经成为液相分离领域的主流工艺。然而,目前膜技术主要应用于水溶液的分离过程,如反渗透膜用于海水淡化。有机溶剂纳滤(organic-solvent nanofiltration,OSN)还是一个新兴的领域。水相溶液的分离机理主要是位阻效应和静电相互作用的耦合,OSN则只依赖于物理尺寸排除效应。这对膜材料提出了很苛刻的要求:如膜孔径大小必须低于2nm,同时在各种极性的有机溶液中能同时保持很高的透过率和稳定性。
  降低膜厚是增加通量最直接的手段,然而不可避免引入的缺陷会降低膜的力学稳定性。另一个策略是设计具有高孔隙率、永久孔结构、良好化学和结构稳定性的分子结构。例如:具有本征微孔的高分子(polymers of intrinsic microporouity,PIMs)、进一步提高链段刚性的改性的PIMs、三维交联的多芳基化合物等都有潜力作为有机纳滤膜材料。然而,由于本征的柔性和反应活性等,这些材料的的化学稳定性和结构持久性仍不理想。
  为了同时解决高通量、高选择性及高稳定性的问题,近期,中国科学院国家纳米科学中心唐智勇课题组开发了一种新型的具有刚性骨架的共轭高分子有机溶剂纳滤膜,该OSN膜全部基于刚性的多孔框架,仅由化学惰性的碳碳键和碳氢键构成。此外,这类共轭的微孔高分子膜(conjugated microporous polymers,CMPs)具有丰富的互穿的永久性三维微孔网络。而且,也可以通过分子工程实现CMPs孔结构和尺寸的有效调控。在CMPs薄膜制备中,不溶性和不易加工性是一个最大的挑战。受一维聚合物表面聚合的启发,他们在SiO2表面修饰初始聚合位点后进行表面聚合反应,通过精细控制表面修饰及聚合反应条件,获得了平方厘米级的无缺陷薄膜并成功转移至超滤膜多孔支撑层。在OSN应用中,CMPs膜对多种极性的有机溶剂表现出很高的透过率,在同等选择性基础上,过滤速度较目前商用的一维柔性聚合物薄膜高出两个数量级。同时,CMPs表现出很高的截留效果,截留分子量为560g/mol。CMPs在有机介质中也具有极高的稳定性。这一结果主要得益于这类材料永久性微孔结构及高孔隙率。


具有刚性骨架共轭高分子微孔膜用于超快有机溶剂纳滤

图1. CMPs膜的制备和表征


  未来量化合成CMPs有望通过在多孔基底上直接表面聚合反应实现,这种新型的CMPs有望成为新一代高效有机溶剂分离膜材料,用于高效的有机小分子分离。