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杭师大由吉春教授/李勇进教授团队:多级孔结构的构筑及其在解决“Trade-off”效应中应用的最新进展
2020-07-27  来源:高分子科技

  多孔材料在分离领域具有广泛的应用,通量和截留率是评价其分离性能的两个重要参数。一般来说,增大孔径可以提高分离通量,同时导致截留率的降低;相反,更小的孔径对应高截留率和低通量。这就是膜分离领域众所周知的“Trade-off”效应。为克服上述效应,杭州师范大学由吉春教授联合中科院长春应化所丁明明副研究员,提出了新的解决方案,即构建孤立微米圆形孔与连续狭长纳米孔相结合的多级孔结构。


图1单级孔薄膜与“海岛”多级孔薄膜内的传质情况模拟


  一方面,有限元模拟结果显示,流体在单级孔薄膜(图1 A-B)与多级孔薄膜(图1 C-D)中传质情况具有明显差异,孤立圆孔的存在可以显著缩短传质路径,降低传质势垒,使孤立圆孔之间的流速明显加快。与单级孔薄膜相比,多级孔薄膜的通量可以获得近两倍的提高。另一方面,基于课题组前期发展的“基于结晶排出模板制备多孔材料策略”(ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12, 6946; Polymer 2018, 142, 48等),研究者采用PVDF/PMMA/PLLA三元共混体系,利用PVDF/PMMA与PLLA之间的相分离构建前者为海相,后者为岛相的“海岛”结构,并在PVDF/PMMA海相中,通过PVDF结晶过程中将PMMA排出的效应,获得二者的纳米级双连续结构,最后,通过选择性溶剂(氯仿)刻蚀,同时去除PLLA及PMMA,成功制备了孤立圆形微米孔和连续狭长纳米孔相结合的多级孔薄膜(图2)。


图2 多级孔制备策略(A)与所得结构SEM图


  通过该策略备的多级孔薄膜具有良好的力学性能,强度可达6MPa(图3 A),相比于单级孔薄膜,其通量可由101.9 L m-2h-1提升至213.7 L m-2h-1,与模拟结果吻合。同时,该薄膜可以保持较高的截留效率(图3B);压汞结果显示多级孔薄膜对应更低的压入压强,表明孤立圆孔具有降低传质势垒的作用(图3 C);


图3 单级孔薄膜与“海岛”多级孔薄膜的力学性能(A)、分离性能(B-C)


图4 “海岛”多级孔薄膜分离性能提升机理示意图


广东11选5   如图4所示,由于微米级圆形孔呈孤立状态,仅在缩短传质路径,降低传质势垒中发挥作用,薄膜的截留率仍由连续的纳米狭长孔提供,因此该多级孔薄膜能够在保持高截留效率的同时,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”为题发表于Journal of Membrane Science (2020,604, 118040)。该工作的第一作者为杭州师范大学硕士生王佳耀,通讯作者为杭州师范大学由吉春教授,有限元模拟由中科院长春应化所丁明明副研究员合作完成,该工作获得了国家自然科学基金(51973048)的支持。


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118040

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(责任编辑:xu)
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