界面自組裝制備具有貫通分離層氣體傳輸通道的超薄復合膜

CO2高效分離是實現CO2減排和能源氣體純化的關鍵,膜技術憑借其能耗低、操作彈性大以及環境友好等優勢成為最具工業應用前景的CO2分離技術之一。混合基質膜結合瞭聚合物與納米填料各自的優點,又有望規避二者單獨成膜可能出現的問題,在氣體分離膜領域引起瞭廣泛關註。目前,報道的混合基質膜中多孔材料大多數是被連續相聚合物包裹,導致多孔材料的傳遞優勢無法得到充分發揮。因此,如何充分發揮多孔材料的傳遞優勢應成為提升混合基質膜氣體分離性能的關鍵因素。

鑒於此,天津大學王志教授課題組和Michael D. Guiver教授課題組在《Advanced Materials》上發表題為“Unobstructed Ultrathin Gas Transport Channels in Composite Membranes by Interfacial Self-Assembly”的研究論文。本研究提供瞭一種簡便的由MOF貫通分離層構建高速傳遞通道制備氣體分離超薄復合膜的方法,該方法充分發揮瞭多孔材料的傳遞優勢,顯著提升瞭膜性能。

界面自組裝制備具有貫通分離層氣體傳輸通道的超薄復合膜

本研究利用聚乙烯基胺(PVAm)和γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基矽烷(KH560)對MIL-101(Cr)納米顆粒的界面層進行親水改性,KH560以共價鍵的形式將MIL-101(Cr)與PVAm緊密連接,改性後的納米顆粒命名MKP,改性過程如圖1所示。由圖2(b)可知,改性後MKP的接觸角明顯減小,表明MKP的親水性有所增加。

界面自組裝制備具有貫通分離層氣體傳輸通道的超薄復合膜
圖1 MKP納米顆粒制備過程

具體的制膜過程(如圖2)還包括聚砜支撐層(mPSf)的親水改性(圖2(a))以及MKP納米顆粒與聚合物基質PVAm間的界面自組裝(圖2(c))。首先,將MKP納米顆粒分散在PVAm水溶液中形成制膜液,將該制膜液刮塗在mPSf支撐層上,MKP納米顆粒因其密度大於PVAm水溶液而快速沉降,優先接觸mPSf支撐層。圖2接觸角測試結果顯示mPSf支撐層的親水性優於MKP納米顆粒,表明親水改性難以完全改變納米顆粒的疏水本性,改性的目的主要是改善納米顆粒與聚合物基質間的界面相容性,同時提高納米顆粒添加量,避免納米顆粒在親水環境下出現團聚現象。隨後,伴隨著水的不斷揮發,連續相PVAm傾向於與親水性更強的mPSf支撐層接觸,導致附著在MKP納米顆粒表面的少量PVAm受到聚合物連續相主體的吸引而脫離MKP納米顆粒表面。本研究中,我們通過控制分離層中聚合物膜PVAm的厚度(~200 nm),使其小於MKP納米顆粒的尺寸(220 nm),則PVAm填充在MKP納米顆粒之間並且不覆蓋MKP表面。因此,所制混合基質膜中單層排佈的MKP納米顆粒可作為貫通分離層的氣體傳遞通道。

界面自組裝制備具有貫通分離層氣體傳輸通道的超薄復合膜
圖2 具有貫通分離層氣體傳輸通道的混合基質膜的制備過程

在0.5MPa, MKP納米顆粒添加量為44.44 wt%時, 所制膜的CO2滲透速率為823 GPU, CO2/N2分離因子為242,與未添加顆粒的膜相比,分別提升瞭2.35倍和4.93倍,在模擬真實煙道氣環境下所制膜性能表現出良好的長時間穩定性。

本研究制備具有貫通分離層傳輸通道的超薄復合膜的設計理念和方法操作簡單,實用性強,通過改變多孔材料和聚合物基質可制備出多種具有貫通分離層傳輸通道的混合基質膜,實現氣體的高效分離。相關論文發表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907701)。本研究得到瞭國傢重點研發計劃(項目編號:2017YFB0603400),國傢自然科學基金(項目編號:21436009)的資助。

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201907701

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