選擇性與滲透性是評(píng)價(jià)分離膜分離性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。然而,他們之間存在著“Trade-off”效應(yīng),選擇性的提升伴隨而來(lái)的是滲透性的損失,反之亦然。與眾多通過(guò)改變膜化學(xué)性質(zhì)方式提升分離性能的研究工作不同,杭州師范大學(xué)由吉春教授團(tuán)隊(duì)近年來(lái)發(fā)展了“構(gòu)筑多級(jí)孔結(jié)構(gòu)以解決Tarde-off效應(yīng)”的新策略,團(tuán)隊(duì)利用靜電紡絲技術(shù)(J. Membr. Sci. 2018, 563, 762-767)、結(jié)晶模板及不相容體系相分離等手段(J. Membr. Sci. 2020, 604, 118040、Appl. Surf. Sci. 2021, 566, 150673),成功構(gòu)筑了多種具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的聚合物分離膜,其分離性能得到了巨大提升。然而,多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑策略仍需拓展,其分離性能提升機(jī)制仍需進(jìn)一步闡釋。
近期,杭州師范大學(xué)由吉春教授聯(lián)合廣東工業(yè)大學(xué)丁明明教授,利用有限元模擬手段與多級(jí)孔材料設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式,獲得了高通量/高截留分離膜,并對(duì)其通量提升機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。有限元模擬結(jié)果顯示(如圖1),納米連續(xù)貫通孔的加入使薄膜中存在三種可供流體通過(guò)的孔道,分別為微米連續(xù)貫通孔(C1)、納米連續(xù)貫通孔(C2)以及二者組合形成的混合孔道(C2)。一方面,C2與C3的存在顯著縮短了流體的傳輸路徑,提高了微米連續(xù)貫通孔(C1)中的液體流速;另一方面,C3的存在增加了額外的傳輸通道。在模擬研究的基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)基于PVDF/PMMA/PLLA三元共混體系中結(jié)晶/相分離等復(fù)雜相行為(如圖2),成功制備了納米/微米多通道分離膜(如圖3),相比于參比樣品(僅含有微米孔道),其通量可由~100 L m-2h-1提升至~360 L m-2h-1,并對(duì)油包水乳液保持了99.8%的截留效率,實(shí)現(xiàn)了在保持截留效率的同時(shí),大幅提升通量的效果。
圖1. 單級(jí)孔薄膜與多通道多級(jí)孔薄膜內(nèi)的傳質(zhì)情況模擬
圖2. 多通道多級(jí)孔膜形成機(jī)制
圖3. 多通道多級(jí)孔薄膜(a-e)與單級(jí)孔道薄膜(f-g)結(jié)構(gòu)表征圖
以上研究成果近期以“Hierarchically porous membranes with multiple channels: Fabrications in PVDF/PMMA/PLLA blend and enhanced separation performance”為題在Journal of Membrane Science (2022, 643, 120065)發(fā)表。該工作的第一作者為中科院上海應(yīng)用物理研究所與杭州師范大學(xué)聯(lián)培合培養(yǎng)博士生王佳耀,通訊作者為杭州師范大學(xué)由吉春教授及廣東工業(yè)大學(xué)丁明明教授,該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金(51973048)的支持。
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.120065
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