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    杭師大由吉春教授/李勇進教授團隊:多級孔結構的構筑及其在解決“Trade-off”效應中應用的最新進展
    2020-07-27  來源:高分子科技

      多孔材料在分離領域具有廣泛的應用,通量和截留率是評價其分離性能的兩個重要參數。一般來說,增大孔徑可以提高分離通量,同時導致截留率的降低;相反,更小的孔徑對應高截留率和低通量。這就是膜分離領域眾所周知的“Trade-off”效應。為克服上述效應,杭州師范大學由吉春教授聯合中科院長春應化所丁明明副研究員,提出了新的解決方案,即構建孤立微米圓形孔與連續狹長納米孔相結合的多級孔結構。


    圖1單級孔薄膜與“海島”多級孔薄膜內的傳質情況模擬


      一方面,有限元模擬結果顯示,流體在單級孔薄膜(圖1 A-B)與多級孔薄膜(圖1 C-D)中傳質情況具有明顯差異,孤立圓孔的存在可以顯著縮短傳質路徑,降低傳質勢壘,使孤立圓孔之間的流速明顯加快。與單級孔薄膜相比,多級孔薄膜的通量可以獲得近兩倍的提高。另一方面,基于課題組前期發展的“基于結晶排出模板制備多孔材料策略”(ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12, 6946; Polymer 2018, 142, 48等),研究者采用PVDF/PMMA/PLLA三元共混體系,利用PVDF/PMMA與PLLA之間的相分離構建前者為海相,后者為島相的“海島”結構,并在PVDF/PMMA海相中,通過PVDF結晶過程中將PMMA排出的效應,獲得二者的納米級雙連續結構,最后,通過選擇性溶劑(氯仿)刻蝕,同時去除PLLA及PMMA,成功制備了孤立圓形微米孔和連續狹長納米孔相結合的多級孔薄膜(圖2)。


    圖2 多級孔制備策略(A)與所得結構SEM圖


      通過該策略備的多級孔薄膜具有良好的力學性能,強度可達6MPa(圖3 A),相比于單級孔薄膜,其通量可由101.9 L m-2h-1提升至213.7 L m-2h-1,與模擬結果吻合。同時,該薄膜可以保持較高的截留效率(圖3B);壓汞結果顯示多級孔薄膜對應更低的壓入壓強,表明孤立圓孔具有降低傳質勢壘的作用(圖3 C);


    圖3 單級孔薄膜與“海島”多級孔薄膜的力學性能(A)、分離性能(B-C)


    圖4 “海島”多級孔薄膜分離性能提升機理示意圖


      如圖4所示,由于微米級圓形孔呈孤立狀態,僅在縮短傳質路徑,降低傳質勢壘中發揮作用,薄膜的截留率仍由連續的納米狹長孔提供,因此該多級孔薄膜能夠在保持高截留效率的同時,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”為題發表于Journal of Membrane Science (2020,604, 118040)。該工作的第一作者為杭州師范大學碩士生王佳耀,通訊作者為杭州師范大學由吉春教授,有限元模擬由中科院長春應化所丁明明副研究員合作完成,該工作獲得了國家自然科學基金(51973048)的支持。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118040

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    (責任編輯:xu)
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