CO2高效分離是實(shí)現(xiàn)CO2減排和能源氣體純化的關(guān)鍵，膜技術(shù)憑借其能耗低、操作彈性大以及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)成為最具工業(yè)應(yīng)用前景的CO2分離技術(shù)之一?；旌匣|(zhì)膜結(jié)合了聚合物與納米填料各自的優(yōu)點(diǎn)，又有望規(guī)避二者單獨(dú)成膜可能出現(xiàn)的問題，在氣體分離膜領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。目前，報(bào)道的混合基質(zhì)膜中多孔材料大多數(shù)是被連續(xù)相聚合物包裹，導(dǎo)致多孔材料的傳遞優(yōu)勢(shì)無法得到充分發(fā)揮。因此，如何充分發(fā)揮多孔材料的傳遞優(yōu)勢(shì)應(yīng)成為提升混合基質(zhì)膜氣體分離性能的關(guān)鍵因素。
鑒于此，天津大學(xué)王志教授課題組和Michael D.?Guiver教授課題組在《Advanced Materials》上發(fā)表題為“Unobstructed Ultrathin Gas Transport Channels in Composite Membranes by Interfacial Self-Assembly”的研究論文。本研究提供了一種簡(jiǎn)便的由MOF貫通分離層構(gòu)建高速傳遞通道制備氣體分離超薄復(fù)合膜的方法，該方法充分發(fā)揮了多孔材料的傳遞優(yōu)勢(shì)，顯著提升了膜性能。
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硅烷(KH560)對(duì)MIL-101(Cr)納米顆粒的界面層進(jìn)行親水改性，KH560以共價(jià)鍵的形式將MIL-101(Cr)與PVAm緊密連接，改性后的納米顆粒命名MKP，改性過程如圖1所示。由圖2(b)可知，改性后MKP的接觸角明顯減小，表明MKP的親水性有所增加。
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(zhì)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，將該制膜液刮涂在mPSf支撐層上，MKP納米顆粒因其密度大于PVAm水溶液而快速沉降，優(yōu)先接觸mPSf支撐層。圖2接觸角測(cè)試結(jié)果顯示mPSf支撐層的親水性優(yōu)于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(zhì)間的界面相容性，同時(shí)提高納米顆粒添加量，避免納米顆粒在親水環(huán)境下出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。隨后，伴隨著水的不斷揮發(fā)，連續(xù)相PVAm傾向于與親水性更強(qiáng)的mPSf支撐層接觸，導(dǎo)致附著在MKP納米顆粒表面的少量PVAm受到聚合物連續(xù)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)，使其小于MKP納米顆粒的尺寸(220 nm)，則PVAm填充在MKP納米顆粒之間并且不覆蓋MKP表面。因此，所制混合基質(zhì)膜中單層排布的MKP納米顆粒可作為貫通分離層的氣體傳遞通道。
在0.5MPa,?MKP納米顆粒添加量為44.44 wt%時(shí),?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，分別提升了2.35倍和4.93倍，在模擬真實(shí)煙道氣環(huán)境下所制膜性能表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。
本研究制備具有貫通分離層傳輸通道的超薄復(fù)合膜的設(shè)計(jì)理念和方法操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，通過改變多孔材料和聚合物基質(zhì)可制備出多種具有貫通分離層傳輸通道的混合基質(zhì)膜，實(shí)現(xiàn)氣體的高效分離。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Materials?(DOI: 10.1002/adma.201907701)。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFB0603400），國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：21436009）的資助。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201907701
