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基于静电纺丝纳米纤维制备耐有机溶剂纳滤膜取得进展
《高分子科学前沿》微信公众号 / 时间:2018-09-14 13:25:53

  据高分子科学前沿微信公众平台2018年9月13日讯 有机溶剂在化工分离、精细化工产品的有机合成、药物有效成分的提取以及高附加值产品的分离纯化等诸多过程中均有广泛应用。分离回收这些有机溶剂传统采用的蒸馏、萃取等方法存在着诸如能耗较高、溶剂损耗大等弊端,高分子耐溶剂纳滤膜由于具有分离精度高、可操作性强等优势成为研究热点。然而高分子纳滤仍然存在一些瓶颈限制了其应用,如①高分子材料的抗溶剂性较差,易在溶剂中发生溶胀或溶解;②传统相转化膜结构致密,膜阻力较高,导致传统耐溶剂复合膜的溶剂通量普遍较低等。


基于静电纺丝纳米纤维制备耐有机溶剂纳滤膜取得进展

图1.(a) 传统非溶剂致相分离法制备的纳滤膜致密皮层有较高的传质阻力,(b) 高压静电纺丝法制备的高通量复合膜为低弯曲率的贯通孔结构,降低了基膜传质阻力。水合肼交联法提高了聚丙烯腈材料在极性溶剂中的稳定性。


  日前,南京工业大学膜科学技术研究所孙世鹏教授团队研发出一种新型耐溶剂纳米纤维复合膜。实验室基于高压溶液静电纺丝法制备支撑层,①通过化学交联法在聚合物链间形成稳定的交联结构以及在极性溶剂中的化学稳定性;②通过采用静电纺丝纳米纤维基膜,利用其孔隙率高,孔道弯曲率低的特点降低基膜传质阻力,且纳米纤维膜相对于传统非对称基膜而言具有非常良好的机械强度。


基于静电纺丝纳米纤维制备耐有机溶剂纳滤膜取得进展

图2.(a) 两种交联膜的物理外观对比说明纳米纤维膜在水合肼溶液中交联程度更高,(b)两种交联膜的机械强度对比,(c) 高压电场的诱导作用提高了PAN链段在纤维中的取向性, 使其具有了较高的机械强度。


  通过高压溶液静电纺丝法直接在接收器上堆积的纳米纤维较为疏松,可以在高温高压下对其进行后处理以降低表面粗糙度。在水合肼溶液中进行化学交联制备出有良好耐溶剂性能的改性PAN基膜,再通过界面聚合法制备得到聚酰胺选择层。在特殊膜结构的作用下,交联PAN纳米纤维基膜的机械强度要强于传统相转化PAN膜20倍,且由于其低膜阻的特点提高了交联剂在膜内的传质分散,提高了对膜主体交联的均匀性,提高了聚丙烯腈基膜在极性溶剂中的稳定性。


基于静电纺丝纳米纤维制备耐有机溶剂纳滤膜取得进展

图3.(a) 复合膜的甲醇通量及对多种染料的分离性能,(b)与文献的性能对比,(c)复合膜在DMSO中的稳定性。


  在截留率相同的前提下,纳米纤维复合膜的纯水通量达到自制非对称复合膜的9倍,显示出纳米纤维膜低膜阻的特性。纳米纤维复合膜在溶剂体系中也具有良好性能,在不牺牲截留率的前提下,该膜在甲醇中能达到10LMH/BAR的通量,性能优于相似条件下的多数文献值。且在二甲基亚砜(DMSO)中运行约50小时仍然能够保持较好的稳定性,这表明纳米纤维膜在有机溶剂体系中具有良好的应用前景。


基于静电纺丝纳米纤维制备耐有机溶剂纳滤膜取得进展

期刊封面展示


  该研究成果作为封面文章发表在Journal of Materials Chemistry A杂志上(J. Mater. Chem. A, 2018,6, 15047-15056.)。本项目依托于材料化学国家重点实验室,国家特种分离膜工程技术研究中心,由国家青年千人计划、国家自然科学基金等多项基金资助。博士生陆天丹为文章的第一编辑;孙世鹏教授和Cher Hon Lau博士为共同通讯编辑。

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