小分子快速稳定分离纳滤膜的精密构筑及其在苛刻环境中的性能研究

With increasingly serious needs of energy conservation and environmental protection, it is urgent to develop high performance nanofiltration(NF) membranes for applications in highly concentrated material separation, organic solvents and other harsh environments. However, in above mentioned harsh environments, the existing commercial NF membranes are prone to ageing, leading to the degradation of flux and selectivity. To address this issue, it is an effective way to construct the transport channel (TC) and the separation nanopore (SN) precisely of NF membranes to realize rapid-stable separation for small molecules (RSSSM). Hence, based on the researches of ageing mechanisms including compaction and swelling, this project will establish a bottom-up criterion for precise construction of the TC and SN, thus realize RSSSM. First, we will construct the TC via gradient-control of substrate morphology through (1) the asymmetric dual-layer membranes based on co-casting method; and (2) electrospun nanofiber membranes. Second, based on the coordinated regulation between functionalized hypercrosslinked polymer (HCP) and traditional polymeric monomers, the stable SN will be constructed. On this basis, an effective evaluation mechanism will be set up for the performance degradation of composite membranes based on experiments and theoretical analysis. Differential solutions will be provided aiming at the performance degradation between TC and SP of composite membrane. The current project may provide fundamental basis for preparing stable NF with respect to RSSSM and promoting the application of NF.

随着节能环保要求日益严峻，高性能纳滤膜在高浓度物料分离、有机溶剂等苛刻环境的应用需求日益紧迫。然而现有商业纳滤膜在苛刻环境下易出现膜通量减小和分离精度下降等膜老化的问题。精密构筑纳滤膜的传输通道和分离孔道来实现小分子的快速稳定分离是解决此类问题的有效途径。因此，本项目拟通过对复合膜压实、溶胀等老化机理的研究，建立自下而上的复合膜设计准则，精密构筑纳滤膜传输通道和分离孔道，实现小分子的快速稳定分离。第一，以基于共刮涂法的非对称双层膜和静电纺丝法制备的纳米纤维膜为重点研究对象，建立基膜结构梯度调控法，精密构筑分子快速传输通道；第二，基于功能化超交联聚合物与传统界面聚合单体协同调控的方法，精密构筑分子稳定分离孔道。在此基础上，建立针对膜性能衰减的有效评价机制，提出针对膜的传输通道和分离孔道的性能衰减问题的差异化解决方案，为制备小分子快速稳定分离纳滤膜及其应用发展提供理论基础。

现有商业纳滤膜在小分子分离过程中，尤其是在苛刻溶剂环境下易出现膜通量和分离精度下降等膜性能衰竭的共性问题，本项目拟通过对复合膜压实、溶胀等老化机理的研究，建立自下而上的复合膜设计准则，梯度调控复合膜结构，精密构筑纳滤膜传输通道和分离孔道，实现小分子的快速稳定分离。基于此，本项目开展了自下而上的纳滤膜的层级结构设计和调控，主要研究内容如下：（1）基于一步共刮涂/挤出技术，提出了亲疏水性梯度控制理论，建立了聚合物溶解度参数模型，实现了无分层双层平板膜和中空纤维膜的制备，降低了膜成本；基于静电纺丝法制备了高孔隙率、低弯曲度、低传质阻力的纳米纤维膜，建立了快速稳定的分子传输通道，在苛性溶剂中表现出高渗透性和稳定性；（2）基于创新的动态沉积和溶剂重熔技术，优化界面结构，改善了不同构型基膜孔径、粗糙度和疏水性等，实现了致密无缺陷选择层的构筑；（3）首次提出分子封装技术，实现了环状超分子主客体化学与界面聚合技术的耦合，通过调控单体界面扩散速率、构建新型孔道等调控选择层的孔径、电荷、亲疏水性、粗糙度等，建立了快速稳定的小分子精准分离孔道，提高了复合膜的在复杂溶剂体系中的渗透性、分离精度和稳定性；（4）基于纳米封装技术，通过纳米胶囊的封装与释放，实现了整体非对称纳滤膜的一步法构筑，简化了纳滤膜生产工艺，并基于此技术，建成了年产50万平米的纳滤膜生产线，相关产品在净水、环保、能源等领域得到了初步应用。在Nano Letters, AIChE Journal, Journal of Membrane Science, Industrial & Engineering Chemistry Research等高水平期刊发表论文22篇；已授权发明专利6项；相关成果及项目负责人获得中国化工学会基础研究成果一等奖、侯德榜化工科学技术青年奖、国际先进材料协会会士称号、中国膜行业杰出青年科技工作者称号。