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北京化工大学范红玮/新疆大学孟洪《自然·通讯》:固-液界面无水界面聚合制备窄孔径聚酰胺膜

时间:2023-11-29 来源: 浏览:

北京化工大学范红玮/新疆大学孟洪《自然·通讯》:固-液界面无水界面聚合制备窄孔径聚酰胺膜

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在化学工业中,精确分离相似大小的离子是一个基础而具有挑战性的工作。聚酰胺膜(PA)被成功地应用于海水淡化和分盐过滤,通过静电排斥(Donnan效应)和尺寸筛分的方式,实现了单价和二价阴离子(例如Cl - /SO 4 2- )的分离。然而,现有的PA膜在精密分离尺寸相似的金属阳离子(如Mg2+/Li+)方面经常遇到困境。尽管存在典型的电荷排斥特性,但实现单/多价离子高精度分离的关键是获得高精度的亚纳米孔。因此,对于实现精确的离子筛分和溶质分化,有必要在膜形成过程中进行合理的调控。然而,由于聚酰胺的非晶结构以及副反应的存在,这在技术上是具有挑战性的。

近日, 北京化工大学化学工程学院 范红玮 副教授 新疆大学 孟洪 教授 团队合作基于哌嗪单体高饱和蒸汽压的特性,发展了固液界面聚合新方法,通过将胺分子挥发至多孔基底构建无水界面的方式,制备了窄孔径聚酰胺纳滤膜。 这种异相界面可完全消除水存在引起的副反应,同时胺分子排列紧密,界面反应剧烈有序,可形成离子筛分精度仅为0.5Å的聚酰胺均匀分离层,其对一二价阴阳离子均具有优异的分离选择性。分子模拟表面,两离子水合壳层的不同、离子与膜的相互作用差异以及均匀致密的孔结构,使得聚酰胺膜膜具有优异的镁锂分离性能。
图1 所示,在传统界面聚合(CIP)过程中,水的存在会导致酰氯发生水解副反应产生一些不可交联位点,不可避免地导致聚酰胺膜的宽孔径分布,且反应单体随机的反向扩散会导致界面聚合反应过程的不可控,通常会生成具有高孔隙比的不均匀的聚酰胺膜。在无水界面聚合(AIP)过程中,由于没有水相的存在,完全避免了副反应的发生,还省去了胺单体在水相中的扩散步骤,促进了界面聚合反应程度,有利于制备超薄致密的聚酰胺膜。
图1.  (a)传统界面聚合和(b)无水界面聚合制备过程示意图。
图2 使用具有不同价态的可溶性卤化盐来检验聚酰胺膜的精密分离能力,通过对13种阳离子截留性能拟合,发现所制备聚酰胺膜具有亚埃级的筛分精度,且对一二价阴阳离子均具有优异的分离选择性。
图2.  聚酰胺膜的精密分离性能
图3 通过分子动力学(MD)模拟来研究离子的传输行为。结果表明,Mg 2+ 具有更大的水合半径、更高的水合能垒以及较低的库伦相互作用,导致其渗透速率要低于Li + ,从而使得Mg 2+ /Li + 分离性能优异,该模拟计算结果与实验结果高度一致。这为镁锂分离过程中高精度聚酰胺膜的构建提供了新的见解。
图3.  镁锂分离过程的分子模拟结果
以上研究成果以“Anhydrous interfacial polymerization of sub-1 Å sieving polyamide membrane”为题发表在《 Nature Communication 》期刊。北京化工大学的 赵广金 博士为文章第一作者,北京化工大学 范红玮 副教授和新疆大学 孟洪 教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划(2022YFB3804802)以及国家自然科学基金(22108010)的支持。
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原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43291-2
来源:高分子科学前沿
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