自支撑高强度水凝胶膜的结构调控及其渗透分离性能研究

Hydrogel is a promising material with great potential used in membrane separation due to its unique three-dimensional mesh structure and excellent hydration ability. However, the common hydrogel is fragile and of low mechanical strength. Therefore, when used in membrane material, hydrogel has to be supported by a porous substrate and used as a hydrogel-based composite membrane. But in this case, it is often difficult to acquire the detailed information on the intrinsic structure and properties of hydrogel layer coated on composite membrane surface. Fortunately, the development of hydrogel with high mechanical strength in recent years provides a new route for the preparation of free-standing hydrogel membranes. In the project presented in this proposal, we would like to design and prepare free-standing hydrogel membranes as a model for the study of hydrogel coating on composite membrane surface. The chemical structure, molecular chain aggregation, pore morphology, as well as the mechanical properties of the prepared hydrogel membranes will be characterized and analyzed in detail. The effects of the preparation technique, formulation and condition on membrane structure and mechanical properties will be investigated. Furthermore, the permeability and separation properties as well as the antifouling and antibacterial properties of the prepared hydrogel membranes will be evaluated systematically. The structure-property relationship of the free-standing hydrogel membranes will be studied and discussed thoroughly. It is expected to develop the potential applications of hydrogel membranes in protein separation, hemodialysis etc. This work might bring some new ideas on the design and preparation of hydrogel-based composite and free-standing hydrogel membranes

水凝胶有着独特的三维网筛结构和优异的水合能力，在分离膜材料上有着巨大的应用潜力。传统的水凝胶机械强度低，常常需要复合在支撑膜表面或填充在膜孔内使用，形成凝胶复合膜，这对直接研究水凝胶膜的本征结构与性能造成障碍。近年来高强度水凝胶的开发为自支撑水凝胶膜的制备与研究提供了便利。本项目将设计并制备出高强度的自支撑水凝胶膜，作为凝胶复合膜表面水凝胶层的研究模型，对膜的化学结构、聚集态结构和孔结构以及机械性能进行分析与表征，考察制备工艺、配方与条件对膜结构与机械性能的影响，实现水凝胶膜的结构可控制备。在此基础上，对水凝胶膜的渗透分离性能和抗污染/抗菌性能进行评价，深入研究水凝胶膜结构与性能之间的相互关系，探讨该类水凝胶膜在蛋白质分离、血液透析等领域的应用前景。本项目的研究对凝胶复合膜和自支撑水凝胶膜的设计与制备具有重要的指导意义。

水凝胶独特的三维网筛结构使其在以选择性透过为主要特征的膜分离领域有着巨大的应用潜力，然而传统的水凝胶机械强度低，不耐压、易碎裂，这对水凝胶分离膜的研究与应用造成障碍。针对这些问题，本项目提出制备高强度的自支撑水凝胶膜，作为凝胶复合膜表面层的研究模型，阐明膜结构与性能的相互关系。在此基础上，着重研究凝胶复合分离膜的设计与制备及其构效关系。主要研究内容包括：①高强度水凝胶膜与凝胶复合膜的制备方法研究；②凝胶复合纳滤膜的结构设计与可控制备；③凝胶复合吸附膜的设计与制备及其染料脱除性能研究；④β-环糊精聚合物基吸附膜的设计、制备及其有机微污染物脱除的研究；⑤凝胶复合型净水膜的研发与产业化。.项目研究团队建立了一系列自支撑水凝胶膜和凝胶复合分离膜的制备方法，掌握了制膜过程中的结构调控规律，发展了凝胶复合纳滤膜、凝胶复合吸附膜、β-环糊精聚合物基吸附膜等多种膜材料，并赋予复合膜抗污、抗菌、刺激响应、选择性吸附等功能特性，揭示了凝胶复合分离膜结构和性能的相互关系，拓展了这些膜材料在有机中分子拆分、高价离子脱除、有机污染物快速去除、重金属离子吸附等方面的应用。兼具过滤与吸附功能的分离膜制备技术实现了从基础研究到实际应用的转化，已在合作企业宁波方太集团实现规模化生产与商业化，应用于高端家用净水器滤芯。.本项目的相关研究结果已在Macromolecules、J. Hazard. Mater.、J. Membr. Sci.、Langmuir、J. Colloids Interf. Sci.等内外主流学术期刊发表论文25篇（其中SCI收录21篇，中文期刊论文4篇），出版专著一部。获得授权发明专利9项，获得2019年中国化工学会科技进步一等奖和2019年中国石油与化工联合会青年科技突出贡献奖。本项目资助培养博士后1名、博士生4名，硕士生4名。 资助参加国际学术交流10人次、国内学术交流14人次。本项目完成了预定的研究任务，超额完成了预期的研究目标，研究成果对高分子膜材料的高性能化与多功能化具有重要的指导意义。