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華科大王艷教授團(tuán)隊(duì) Mater. Horiz.:可控氫鍵交聯(lián)PDMS膜實(shí)現(xiàn)超快醇水分離
2023-05-19  來(lái)源:高分子科技

  作為一種可替代石油燃料的新型環(huán)?稍偕茉,生物醇類能源近年來(lái)在全球范圍內(nèi)得到了越來(lái)越多的關(guān)注,但高效分離純化技術(shù)的缺乏卻限制著其進(jìn)一步的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。目前,具有良好親有機(jī)性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)滲透汽化膜在醇水分離研究領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注,但前期研究主要集中于共價(jià)交聯(lián)PDMS膜的研究。然而共價(jià)交聯(lián)后的PDMS膜一般具有高交聯(lián)度和強(qiáng)相互作用,導(dǎo)致了膜的滲透通量降低。如何解決這一問(wèn)題一直是該領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)之一。


1可控氫鍵PDMS膜分離示意圖


  近期,華中科技大學(xué)王艷教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新的PDMS膜制備策略,即用氫鍵交聯(lián)替換傳統(tǒng)的共價(jià)鍵交聯(lián),制備了可控氫鍵的PDMS基滲透汽化膜(圖1)。通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖2),調(diào)控了PDMS膜內(nèi)的氫鍵含量(圖3),進(jìn)而改變了PDMS膜內(nèi)分子鏈柔性(圖4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著PDMS膜內(nèi)氫鍵含量的降低,PDMS分子鏈柔性增加,從而顯著地增加滲透通量和維持乙醇/水分離因子幾乎不變(圖5a)。這項(xiàng)研究工作超越了目前所報(bào)道的醇水分離膜的分離性能(圖5b),為制備新一代膜材料提供了一個(gè)研究思路。該工作以Controllable hydrogen-bonded poly(dimethylsiloxane) (PDMS) membranes for ultrafast alcohol recovery為題發(fā)表在《Materials Horizons》上(Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k)。文章第一作者是華中科技大學(xué)朱騰陽(yáng)博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資金支持。 


2. PDMS基滲透汽化膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和氫鍵結(jié)構(gòu) 


3. PDMS基滲透汽化膜內(nèi)(a)理論氫鍵含量、(b)氫鍵指數(shù)和(c)實(shí)際氫鍵含量
 

圖4. PDMS基滲透汽化膜的(a)玻璃化溫度(Tg)和(b)流變性能
 

5. APDMS/HPDMS(e:f)-HDI膜的(a)滲透汽化性能和(b)分離性能比較圖

  華中科技大學(xué)王艷教授團(tuán)隊(duì)近年來(lái)一直致力于醇水分離研究,包括從醇中脫水和從水中回收醇兩方面的應(yīng)用。關(guān)于醇中脫水的研究,主要集中于中空纖維超薄復(fù)合膜的制備,主要采用金屬交聯(lián)輔助(Chem. Eng. J. 2022, 448, 137773; Adv. Membr. 2023, 3, 100062)和二次界面聚合(AlChE J. 2021, 67, e17144)等策略。關(guān)于水中回收醇的研究,主要集中于制備PDMS基復(fù)合膜,通過(guò)ZIF粒子的引入(J. Membr. Sci. 2020, 598, 117681; ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 12664-12676)、微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑(J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 104977)和PDMS分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k)等策略,實(shí)現(xiàn)PDMS膜性能的提升。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1039/d3mh00250k

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