含氟聚酰胺纳滤膜微观结构调控及分子模拟的研究

Owing to their outstanding chlorine-tolerant ability, the fluoro-polyamide nanofiltration membranes show good potential application in practical application. However, the optimum design and micro-mechanism of the fluoro-polyamide nanofiltration membranes are becoming the urgent problems in scientific research. Our current project is aimed at solving these problems. We will introduce these new synthetic three-dimensional monomers and pore-containing monomers into the fluoro-polyamide nanofiltration membranes via interfacial polymerization, and optimize the preparation parameters, the better performance fluoro-polyamide nanofiltration membranes can be obtained. The evolution of the fluoro-polyamide nanofiltration membranes properties can be revealed through coupling with multiple characterizations. Moreover, DFT will be carried out to reveal the micro-mechanism of the outstanding chlorine-tolerant ability of fluoro-polyamide nanofiltration membranes, and molecular dynamics simulation will be carried out to figure out the relationship between the nanofiltration membrane microstructure and the permeability. This research will serve as the guidance to optimize the fluoro-polyamide nanofiltration membranes microstructure, and will also provide the theoretical basis of the nanofiltration membrane controllable fabrication and industrialization.

含氟聚酰胺纳滤膜在耐氯方面表现出独特的优势和诱人的前景，如何对其微观结构进行优化设计从而实现含氟聚酰胺纳滤膜性能的进一步提升，以及对其内在规律进行深入研究成为亟待解决的关键科学问题。本项目针对目前研究的不足，以含氟聚酰胺纳滤膜微观结构调控为主体研究思路，通过界面聚合方法将立体构型单体分子/纳米空腔单体引入到含氟聚酰胺纳滤膜，结合参数的优化，从而实现高耐氯高渗透通量的含氟聚酰胺纳滤膜的制备；结合多尺度表征手段，掌握含氟聚酰胺纳滤膜结构-性质的演化规律；采用DFT和分子动力学模拟技术，揭示含氟聚酰胺耐氯稳定性的微观机理以及构建微观结构与聚酰胺纳滤膜渗透性能之间的构效关系。本项目研究将为含氟聚酰胺纳滤膜的微观结构调控提供新思路，进而为纳滤膜的可控制备和工业应用奠定理论基础。

提高耐氯稳定性和分离选择性是当前聚酰胺纳滤膜研究领域的主要研究方向，如何对聚酰胺纳滤膜进行优化设计，实现其性能的突破是本项目的研究重点。本项目从含氟单体、微观结构调控、微波强化相界面构筑、原位改性方法构建等方面进行了系列研究取得了如下成果：1) DTF理论计算以及哌嗪氧化实验都证明了由于哌嗪的杂环结构在氧化剂的环境下不稳定，易于降解。而受到DFT计算的启发，将杂环二胺替换成碳环二胺，成功制备了耐氯性能可以达到35000 ppm-h的纳滤膜，为常规商业纳滤膜耐氯性的17倍。同时制备了4040含氟聚酰胺纳滤膜组件，并完成相关测试，结果表明，该纳滤膜组件耐氯性明显优于市场上常规聚酰胺纳滤膜。2）利用具有纳米空腔单体的β-环糊精，对聚酰胺纳滤膜的微观结构进行调控，纳滤膜孔道结构变的更加均一，成功制备得到高渗透选择性的聚酰胺纳滤膜，对混盐体系表现出极高的分离选择性。此外，通过加入TTSBI，有效地改善了纳滤膜孔道结构，并利用分子动力学模拟来对其进行计算模拟，结果发现，TTSBI的加入极大地增加了纳滤膜的自由体积比例。3）首次提出利用外场强化相界面构筑的新方法，微波外场的引入，优化了纳滤膜制备过程中单体分子的扩散速率和反应速率，消除了温度梯度，实现了纳滤膜相界面的强化。（4）发展了原位改性技术，实现了渗透选择性协同增益。利用原位水解和原位接枝等手段，增加有效渗透面积，产生了更多的水分子传输通道。本项目在Journal of Membrane Science等顶级期刊共计发表SCI论文10篇。