微孔共轭聚合物纳米管超浸润分离膜制备及其选择性分离性能研究

The development of high performance membranes to address water pollution issues should be of significant importance for water safety and improvement of sci-tech innovation ability and international competitiveness of membrane industry in China. However, many insufficiencies still remain in current research on membrane materials. Inspired by the high chemical and thermal stability, excellent mechanical strength and structure tunability of the conjugated microporous polymers (CMPs), accordingly, we proposed here for creation of a series of novel membrane materials with tunable wettabilities based on CMPs nanotubes which surface energy can be tailored by varying the structure and chemical composition of monomers. By combination with advanced measurement and analysis, the effect of chemical composition and size of the CMPs nanotubes on the surface wettability, mechanical strength and porosity of the resulting membranes will be investigated. The separation performance of as-prepared membranes for simulated wastewater and actual wastewater will be evaluated. By combination with computational simulation, the surface interaction between mambranes and water, oils and different organic contaminates will be studied at microscopic level. Consequently, the relationship between the separation performance of the membranes and their microstructure and surface wettabilities will be constructured. The implementation of the proposed project will possibly provide a kind of novel, high performance CMPs membrane materials as well as their performance tailoring methods, which may open a new way for further design and development of membrane materials for water treatment.

发展高性能水处理用膜材料，对于保障我国水安全、提升我国在膜领域的科技创新能力和产业国际竞争力具有重要意义。针对目前膜材料研究的不足，本项目拟利用微孔共轭聚合物（CMPs）具有优异的化学稳定性、热稳定性、机械强度以及结构可调等特点，通过单体分子结构、化学组成的调控以获得具有不同表面能的CMPs纳米管，探索制备表面浸润性可调控的新型CMPs纳米管膜材料。借助先进分析测试手段，研究CMPs纳米管的化学组成、管径尺寸等对其膜材料表面浸润性能、机械强度以及孔性能的影响规律。基于含油/有机污染物废水的分离试验并结合计算模拟，在微观层面研究CMPs纳米管膜材料与水、油以及不同种类有机污染物的界面相互作用，构建膜材料微结构、表面浸润性等与其对水体中油/有机污染物选择性分离性能的构效关系。项目实施有望获得一类全新的CMPs纳米管膜材料及其性能调控方法，为进一步推动水处理领域膜材料科学的发展提供新的研究思路。

高效、经济地处理含油/有机污染物废水对于我国生态和国民经济的可持续发展具有重要的意义。膜分离法处理这类废水具有去除率高、适应性强及能耗低等优点，而研制具有高的热稳定性、化学稳定性、机械强度、表面浸润性可调控的膜材料进而高选择性地分离水体中油/有机污染物，成为该领域研究方向更高水平发展亟待解决的问题。本项目基于单体分子结构、化学组成的合理设计，以带有不同官能团的乙炔基芳香化合物、卤代芳香化合物为聚合单体，通过Sonogashira-Hagihara偶联反应，合成了一系列具有不同空间结构、功能基团的微孔共轭聚合物（CMPs）纳米管，揭示了单体结构、单体中炔基与溴代官能团比例对CMPs纳米管形貌、管径尺寸的影响规律。在此基础上，制备了CMPs膜材料，考察了CMPs纳米管化学组成、管径尺寸对CMPs膜材料机械强度、表面浸润性、孔径的影响规律。测试了CMPs膜材料对对水体中不同存在状态的油品、有机溶剂的的吸附容量和选择性，考察了CMPs膜材料的微观结构、表面浸润性、孔径对其吸附容量、选择性的影响规律，构建了CMPs膜材料自身孔性能、亲/疏水官能团种类、表面浸润性与其分离效率、抗污性之间的构效关系。同时制备了一系列新型CMPs气凝胶材料和多种超浸润吸附材料，系统开展了其在油水分离领域中的应用研究。项目实施以来，在新型CMPs纳米管、CMPs基膜材料、CMPs基气凝胶材料的设计及制备、CMPs化学结构、形貌与其选择性吸附性能之间构效关系的建立等方面开展了充分的研究，并取得了一系列研究成果。项目资助下，发表影响因子3以上的SCI论文31篇（其中影响因子10以上的SCI论文11篇），授权发明专利1项，培养博士研究生2名，硕士研究生12名，并与国内外同行建立了良好合作关系和交流渠道，形成了一支立足国际视野、服务西部、以设计合成功能性CMPs材料为特色的创新型研究团队。