基于支撑体孔道限域组装的笼状纳米晶体复合膜及其分离机制研究

The separation performance of nanofiltration membrane is depended on the thickness of the separation layer, the structure of channel and the interface properties. It is an urgent problem to prepare ultrathin film with high efficient mass transfer channel. In this application, a new concept of nanoconfined composite membrane is proposed from the view of designing membrane microstructure, which constructs crystalline nanocages in the confined space of porous substrate. The crystal size and distribution can be controlled due to the confinement and template effect of the pores in the substrate. The structure and distribution of the channels in the subsurface is optimized and modified by porous nanocages. The thickness of the separation layer on the surface of nanoconfined composite membrane is nearly zero, leading to shorten the mass transfer distance of the components. Therefore, the interaction between the two phases is enhanced to increase the stability of the composite membrane. Furthermore, the nanocages with different pore structures and surface properties are used to assemble the nanoconfined composite membrane. Their separation performances for different mixtures are investigated to reveal the separation mechanism of the components in the composite membrane.

决定纳滤膜性能的主要因素包括分离层的厚度、孔道结构及界面性质等，制备具有高效传质通道的超薄完整分离膜是亟待解决的难题。本申请从复合膜结构设计角度出发，提出在多孔支撑体的限域空间内构筑笼状纳米晶体的新思路，构建一类表面分离层厚度趋近于零而在支撑体孔道内部形成分离传质通道的纳米限域复合膜。通过支撑体孔道的限域效应和模板作用控制纳米晶体的粒径和分布，从而获得粒径分布窄、分散性好的纳米复合膜。利用笼状纳米晶体优化和修饰支撑层的孔结构和孔分布，形成纳米传质通道。纳米限域复合膜能够缩短组分的传质距离，提高界面间的相互作用力，增强复合膜的稳定性。通过组装不同孔道结构和表面性质的纳米晶体及分离性能研究，揭示组分在复合膜中的分离机制。

膜分离技术的核心是高性能的分离膜，其功能和性质主要受膜材料和膜结构的影响。由超薄选择性分离层和多孔支撑层所构成的薄膜复合膜为高性能分离膜的发展提供了新方向。制备具有高效传质通道的超薄完整分离膜成为限制其发展的主要问题。本研究从复合膜的结构设计角度出发，提出在多孔支撑体的限域空间内构筑纳米晶体的新思路。筛选可用于原位组装的纳米晶体如金属有机骨架材料（MOFs）、层状双金属氢氧化物（LDH）以及ZIF-8@GO复合材料等，利用不同的自组装工艺如反向扩散组装法、冷冻辅助原位生长等在不同的有机及无机多孔支撑体的限域空间内可控构筑高性能的纳米限域复合膜。主要研究成果如下：1）利用原位反向扩散法将聚合物基膜中多孔亚皮层作为限域空间，选取MOFs作为调控纳米晶体，聚电解质作为界面填充剂，构筑了MOFs/Polymer杂化膜用于截留不同盐离子；2）使用冷冻辅助法在无机基底孔隙中原位生长ZIF晶体，成功制备了ZIF纳米限域复合膜，可用于水中染料的脱除；3）利用真空辅助和浸渍提拉法耦合制备了ZIF-8@GO膜将其用于生物丁醇的回收；4）利用陶瓷基底的多孔镀层作为纳米限域空间，通过调控水热合成方式，在陶瓷管基底垂直面上定向生长LDH复合膜，可用于有机物脱水；5）通过水热法在管式陶瓷基底表面制备氨基酸原位插层MgAl-LDH分离层，并将其应用于水相中染料的脱除。以上研究结果表明利用纳米晶体优化和修饰支撑层的孔结构和孔分布，形成纳米限域复合膜能够缩短组分的传质距离，同时解决了纳米晶体在膜中的界面形态问题，为高性能复合膜的构筑提供了新的思路和方法。