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  多孔材料在分離領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，通量和截留率是評(píng)價(jià)其分離性能的兩個(gè)重要參數(shù)。一般來說，增大孔徑可以提高分離通量，同時(shí)導(dǎo)致截留率的降低；相反，更小的孔徑對(duì)應(yīng)高截留率和低通量。這就是膜分離領(lǐng)域眾所周知的“Trade-off”效應(yīng)。為克服上述效應(yīng)，杭州師范大學(xué)由吉春教授聯(lián)合中科院長春應(yīng)化所丁明明副研究員，提出了新的解決方案，即構(gòu)建孤立微米圓形孔與連續(xù)狹長納米孔相結(jié)合的多級(jí)孔結(jié)構(gòu)。

圖1單級(jí)孔薄膜與“海島”多級(jí)孔薄膜內(nèi)的傳質(zhì)情況模擬

  一方面，有限元模擬結(jié)果顯示，流體在單級(jí)孔薄膜（圖1 A-B）與多級(jí)孔薄膜（圖1 C-D）中傳質(zhì)情況具有明顯差異，孤立圓孔的存在可以顯著縮短傳質(zhì)路徑，降低傳質(zhì)勢(shì)壘，使孤立圓孔之間的流速明顯加快。與單級(jí)孔薄膜相比，多級(jí)孔薄膜的通量可以獲得近兩倍的提高。另一方面，基于課題組前期發(fā)展的“基于結(jié)晶排出模板制備多孔材料策略”（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12, 6946; Polymer 2018, 142, 48等），研究者采用PVDF/PMMA/PLLA三元共混體系，利用PVDF/PMMA與PLLA之間的相分離構(gòu)建前者為海相，后者為島相的“海島”結(jié)構(gòu)，并在PVDF/PMMA海相中，通過PVDF結(jié)晶過程中將PMMA排出的效應(yīng)，獲得二者的納米級(jí)雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，最后，通過選擇性溶劑（氯仿）刻蝕，同時(shí)去除PLLA及PMMA，成功制備了孤立圓形微米孔和連續(xù)狹長納米孔相結(jié)合的多級(jí)孔薄膜（圖2）。

圖2 多級(jí)孔制備策略（A）與所得結(jié)構(gòu)SEM圖

  通過該策略備的多級(jí)孔薄膜具有良好的力學(xué)性能，強(qiáng)度可達(dá)6MPa（圖3 A），相比于單級(jí)孔薄膜，其通量可由101.9 L m^-2h^-1提升至213.7 L m^-2h^-1，與模擬結(jié)果吻合。同時(shí)，該薄膜可以保持較高的截留效率（圖3B）；壓汞結(jié)果顯示多級(jí)孔薄膜對(duì)應(yīng)更低的壓入壓強(qiáng)，表明孤立圓孔具有降低傳質(zhì)勢(shì)壘的作用（圖3 C）；

圖3 單級(jí)孔薄膜與“海島”多級(jí)孔薄膜的力學(xué)性能（A）、分離性能（B-C）

圖4 “海島”多級(jí)孔薄膜分離性能提升機(jī)理示意圖

  如圖4所示，由于微米級(jí)圓形孔呈孤立狀態(tài)，僅在縮短傳質(zhì)路徑，降低傳質(zhì)勢(shì)壘中發(fā)揮作用，薄膜的截留率仍由連續(xù)的納米狹長孔提供，因此該多級(jí)孔薄膜能夠在保持高截留效率的同時(shí)，大幅提升通量。

  以上研究成果近期以“Hierarchically porous membranes with isolated-round-pores connected by narrow-nanopores: A novel solution for trade-off effect in separation”為題發(fā)表于Journal of Membrane Science (2020,604, 118040)。該工作的第一作者為杭州師范大學(xué)碩士生王佳耀，通訊作者為杭州師范大學(xué)由吉春教授，有限元模擬由中科院長春應(yīng)化所丁明明副研究員合作完成，該工作獲得了國家自然科學(xué)基金(51973048)的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118040