混合基质膜中两相界面结构和纳米多孔添加物吸附作用强化分离易挥发有机污染物的机制

Removal and recovery of volatile organic compounds (VOCs) is one of the most important concerns in China. In this project, we will focus on the issues of the structure optimization and the facilitation mechanism of Mixed Matrix Membranes (MMMs) in the separation of VOCs. Combining the experimental and molecular simulation methods, we will explore molecular interactions among nanoporous fillers, polymers, and VOCs. Based on this, we will investigate the effects of the interfacial structure of nanoporous filler/polymer and the adsorption properties of nanoporous fillers on the separation performance of MMMs for VOCs; analyze quantitatively the mass transfer resistance of each phase in MMMs; construct the facilitated transport mechanism of “dissolve-adsorption-diffusion” model; select suitable nanoporous fillers to design and fabricate MMMs with enhanced VOCs separation properties. Through the systematical investigations, we hope to provide basic data and general rules for designing and fabrication MMMs to improve membrane separation technology.

易挥发有机污染物（VOCs）的控制排放是我国大气环境治理至关重要的环节之一。本项目针对易挥发有机废弃物膜分离过程中混合基质膜材料的结构调控和强化分离机制，采用实验与计算机分子模拟相结合的方法，从研究纳米多孔颗粒、聚合物、VOCs之间相互作用出发，揭示混合基质膜中添加物/聚合物两相界面和纳米多孔添加物的吸附作用对膜分离性能的影响；定量分析VOCs分子在混合基质膜中各相的传质阻力，构建混合基质膜“溶解-吸附-扩散”渗透传递耦合的新模型；在模型分析基础上设计合成具有协同强化作用的混合基质膜，实现VOCs污染物的高效分离；为化工膜分离材料的设计和制备提供新思路和科学依据。

工业能耗中高达50%用于产品分离，高效的膜分离技术是降低能耗的重要途径。本项目以低浓度环境有害物的膜分离为研究背景，采用实验、计算机分子模拟和理论计算相结合的方法，从混合基质膜纳米多孔颗粒、聚合物、污染物（VOCs、CO2等）分子之间相互作用出发，揭示了混合基质膜中聚合物/添加物两相界面对膜分离性能的影响规律，建立了膜各相传递耦合的新动态密度泛函理论模型；分子模拟阐明了纳米多孔添加物的孔道结构及其功能化基团对污染物分子的吸附强化溶解-扩散作用；并通过设计与污染物分子具有可逆中等强度作用力的载流子网络，在混合基质膜中构筑强化扩散通道；实验合成了fMOFs、POPs、PIPs、iCOFs等四个系列多孔纳米添加材料，分别针对液相（丁醇/水）体系和气相（CO2/N2）体系，开发了具有高通量、高选择性的系列混合基质膜，膜性能都到达或超过同类产品同期的国际领先水平。所取得的研究成果为膜分离技术提供了从分子水平到宏观工艺的科学依据和创新思路，为解决化工分离膜材料的设计和制备过程提供新方法。在相关领域国际学术刊物发表 (SCI) 论文18篇，获得中国申请发明专利授权2项；获得国际合作项目支持2项，形成良好的国际合作团队。获得上海市科技进步二等奖1项。