高性能分离膜的设计及性能研究

发布时间：2020-09-27 11:44

　　 膜分离技术以其高效、节能、环境友好等优势,在海水淡化、污水处理和气体分离等领域发挥着重要作用。在分离膜材料的研究中,开发满足实际需求的材料体系,实现高通量和高选择性分离,具有重要的科学意义与应用价值。目前广泛应用的高分子分离膜和无机分离膜,主要是利用相转化和高温烧结的方法制备而成。由于成膜材料和成膜方法的限制,传统的分离膜具有孔径分布不均匀、选择分离层较厚等缺点,制约了分离通量和分离选择性的同步、大幅提升。因此,设计制备具有均一孔径尺寸及纳米级厚度的超薄膜材料,实现高精度、高通量分离,是目前分离膜领域的重要发展方向。本文以有机小分子、生物大分子及金属有机共价化合物(MOF)为基本结构单元,通过限域自组装、界面反应、原位化学反应等方法,构筑一系列具有纳米级厚度和均一孔道结构的超薄分离膜。相比于传统分离膜,这一系列超薄膜具有更高的通量和分离精度。从提升膜的抗污染能力的角度出发,通过在分离膜表面构筑具有超强水合能力的微纳多级结构,调控膜表面的浸润性,利用膜表面稳定的水合层来阻隔污染物。具体开展了以下四部分研究工作:(1)超薄ZIF-8气体分离膜的研究:MOF具有高的孔隙率、规整的孔道结构,因而被认为是理想的分子筛分材料。然而MOF晶体生长可控性差,制备纳米级厚度的MOF分离膜仍面临很大的挑战。本章研究内容以近年来广泛研究的ZIF-8材料为例,在传统界面扩散法制备MOF膜的基础上,创新性地将表面聚多巴胺修饰的碳纳米管薄膜(PD/SWCNT film)引入界面反应层。这种具有纳米级孔道的PD/SWCNT超薄膜不仅对金属离子和有机配体的扩散速率的实现了有效控制,而且聚多巴胺表面丰富的氨基、羟基为ZIF-8晶体的成核和生长提供了均匀的位点。因此,可以在PD/SWCNT film表面生长出连续、致密超薄ZIF-8复合膜,该膜在气体分离过程中表现出很高的H2渗透量及高H2/CO2选择性。(2)基于S-S键缩合诱导二维超薄膜的可控自组装:在Cu(OH)2纳米线阵列表面构筑的局域空间内,半胱氨酸分子在痕量Cu2+的催化作用下,巯基间氧化缩合形成胱氨酸,进而自组装生成胱氨酸单晶超薄膜。通过精确调控反应条件,获得不同分子层厚度的胱氨酸单晶超薄膜。在研究胱氨酸超薄膜基本物性的同时,深入探究了半胱氨酸在局域空间内的氧化缩合及自组装机理。(3)蛋白质基均孔超薄膜的设计及分离性能研究:在理解巯基的氧化缩合及自组装的基础上,以具有精准孔道的生物大分子作为构筑单元,在Cu(OH)2纳米线阵列表面,烟草花叶病毒(TMV)基元之间通过半胱氨酸的缩合进行自组装,形成单层TMV二维组装结构。由于TMV基元的结构是一种中空圆柱体(中间含有直径为4 nm的孔道),因此TMV基元以六方形式自组装后形成了一种具有规整、均一孔道结构的二维组装体。进一步采用压力过滤自组装法构建了厚度可调的超薄选择分离层。厚度为43 nm的TMV超薄分离膜,纯水通量高达 7000 Lm-2h-1bar-1。此外,TMV超薄膜具有均匀的4nm孔道结构,可以实现在纳米尺度的高精度分离。(4)表面浸润性调控及高通量、抗污染油水分离膜的构建:在分离过程中,污染物在膜表面的黏附污染是影响膜性能的重要因素。在本工作中,通过对膜表面微纳结构及水合特性的精细调控,获得了具有超亲水、水下超疏油性能的Cu3(P04)2纳米片阵列结构,并对易黏附污染的高粘度原油/水混合液实现高效分离。采用密度泛函理论对Cu3(PO4)2等无机材料的表面水合能力进行模拟计算,证实了 Cu3(P04)2比其他的无机纳米材料(如CuO、Cu(OH)2、Co304等)具有更强的水合能力。强的水合能力结合规整的纳米片阵列结构,实现了对高粘度原油在其表面的超低粘附,适用于长时间原油/水混合体系连续分离。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.893
【部分图文】：

第１章绪论逦逡逑—Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋ｌ＊ｙ？ｒ逡逑Ｄｅｎｓｅ，邋ｔｈｉｃｋ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逦？

本文编号：2827824