二维膜的精密构筑和结构调控策略综述
发布时间：2021-01-14 02:27
膜分离技术效率高、能耗低,在水处理和气体分离等领域有重要应用。二维膜是一类新兴的分离膜,由高横纵比的二维纳米片组装而成,成膜容易、力学性能好、结构可设计、可调控;在实验室范围内实现了有机溶剂脱水、纳滤、离子截留、气体筛分等领域的高效分离,有望突破传统分离膜的性能上限;但目前对二维膜的研究仍处于初期阶段。如何对二维膜进行精密构筑和结构调控,以优化其分离性能,使之针对不同的分离体系、在各分离尺度达到理想的分离效果仍具挑战。面对如何提高二维膜的渗透性、选择性和稳定性这三项性能评价指标,本文综述了系列二维膜的精密构筑和结构调控方法,包括离子交联、客体材料插层、表面改性等,分别从二维膜的层间距调控、二维纳米片相互作用关系的调节、二维膜的通道有序性等方面设计与构筑二维膜的分离通道,以实现二维膜分离性能的全面提升。
【文章来源】：化工进展. 2020,39(12)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
二维膜层间通道的传质路线
图2 二维膜层间通道的传质路线气体传质路径由A通道（层间通道和片层间形成的褶皱）和B通道（纳米片面内孔，GO纳米片氧化过程中会产生一些面内缺陷孔）组成。式中，h为膜厚度；ε和τ分别是A/B通道的孔隙率和曲折度，分别由纳米片孔隙率、片层的横纵比决定；D和K为A/B通道中的气体扩散系数和吸附平衡常数，受气体的理化性质、通道孔径参数和膜材料影响。因此对膜来说，气体渗透通量主要由片层的表面性质（影响吸附/溶解性）、层间和面内通道的孔隙率和路径曲折率（影响扩散率）以及A/B路径的缺陷密度等决定。
如图5所示，高超教授团队[42]利用碳纳米管制备了插层的还原GO膜（碳纳米管和还原的GO纳米片的质量比为2∶1），在两者GO纳米片含量相同的情况下，水通量相较于未插层的膜提高了一倍，并保持了对染料和离子的较好截留效果，对含量为0.05g/L的甲基橙溶液中的染料分子截留率达到96%，对0.01mol/L的Na2SO4溶液的离子截留率达81.0%。徐铜文教授团队[43]用2,6-二甲基对聚苯氧（SPPO）插层g-C3N4膜，约226nm厚的原始g-C3N4膜的水通量为60L/(h·m2·bar)(1bar=105Pa），而插层后约350nm厚的SPPO/g-C3N4的水通量高达8867L/(h·m2·bar)，且对亚甲基蓝的截留率接近100%。本文作者团队[44]制备了用聚丙烯酸（PAA）插层的g-C3N4膜，增大了层间距并形成了更宽广的纳米通道，同时在PAA的亲水性基团作用下，掺杂约10%PAA的490nm厚的g-C3N4膜的水通量为117L/(h·m2)，而原始405nm厚的g-C3N4膜的水通量仅为47.5L/(h·m2)，且插层后的二维膜对伊文思蓝（浓度为10mg/L）的截留率仅从85%略微降低到83%（供料侧压力为1bar，渗透侧抽真空，测试压差为1bar）。图5 碳纳米管插层GO膜示意[42]
【参考文献】：
期刊论文
[1]层层堆叠石墨烯膜的稳定性强化及层间距调控研究进展[J]. 刘露月,吕荥宾,刘壮,汪伟,巨晓洁,谢锐,褚良银. 膜科学与技术. 2020(01)
[2]金属有机骨架膜的制备与应用进展[J]. 周胜,侯倩倩,魏嫣莹,王海辉. 化工进展. 2019(01)
[3]2D materials via liquid exfoliation:a review on fabrication and applications[J]. Chengxue Huo,Zhong Yan,Xiufeng Song,Haibo Zeng. Science Bulletin. 2015(23)
本文编号：2976028
【文章来源】：化工进展. 2020,39(12)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
二维膜层间通道的传质路线
图2 二维膜层间通道的传质路线气体传质路径由A通道（层间通道和片层间形成的褶皱）和B通道（纳米片面内孔，GO纳米片氧化过程中会产生一些面内缺陷孔）组成。式中，h为膜厚度；ε和τ分别是A/B通道的孔隙率和曲折度，分别由纳米片孔隙率、片层的横纵比决定；D和K为A/B通道中的气体扩散系数和吸附平衡常数，受气体的理化性质、通道孔径参数和膜材料影响。因此对膜来说，气体渗透通量主要由片层的表面性质（影响吸附/溶解性）、层间和面内通道的孔隙率和路径曲折率（影响扩散率）以及A/B路径的缺陷密度等决定。
如图5所示，高超教授团队[42]利用碳纳米管制备了插层的还原GO膜（碳纳米管和还原的GO纳米片的质量比为2∶1），在两者GO纳米片含量相同的情况下，水通量相较于未插层的膜提高了一倍，并保持了对染料和离子的较好截留效果，对含量为0.05g/L的甲基橙溶液中的染料分子截留率达到96%，对0.01mol/L的Na2SO4溶液的离子截留率达81.0%。徐铜文教授团队[43]用2,6-二甲基对聚苯氧（SPPO）插层g-C3N4膜，约226nm厚的原始g-C3N4膜的水通量为60L/(h·m2·bar)(1bar=105Pa），而插层后约350nm厚的SPPO/g-C3N4的水通量高达8867L/(h·m2·bar)，且对亚甲基蓝的截留率接近100%。本文作者团队[44]制备了用聚丙烯酸（PAA）插层的g-C3N4膜，增大了层间距并形成了更宽广的纳米通道，同时在PAA的亲水性基团作用下，掺杂约10%PAA的490nm厚的g-C3N4膜的水通量为117L/(h·m2)，而原始405nm厚的g-C3N4膜的水通量仅为47.5L/(h·m2)，且插层后的二维膜对伊文思蓝（浓度为10mg/L）的截留率仅从85%略微降低到83%（供料侧压力为1bar，渗透侧抽真空，测试压差为1bar）。图5 碳纳米管插层GO膜示意[42]
【参考文献】：
期刊论文
[1]层层堆叠石墨烯膜的稳定性强化及层间距调控研究进展[J]. 刘露月,吕荥宾,刘壮,汪伟,巨晓洁,谢锐,褚良银. 膜科学与技术. 2020(01)
[2]金属有机骨架膜的制备与应用进展[J]. 周胜,侯倩倩,魏嫣莹,王海辉. 化工进展. 2019(01)
[3]2D materials via liquid exfoliation:a review on fabrication and applications[J]. Chengxue Huo,Zhong Yan,Xiufeng Song,Haibo Zeng. Science Bulletin. 2015(23)
本文编号：2976028
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