微孔有机聚合物分离膜材料的制备与性质

微孔有机聚合物，具有开放连通的孔道（孔道尺寸小于2nm）。它们有潜力成为高性能的纳滤、气体分离、质子传输膜材料。在水资源、能源和环境保护等方面发挥重要作用。本项目拟设计、制备具有拓补结构的新型多官能团单体，在超滤膜表面，通过界面聚合方法制备微孔有机纳滤复合膜。解决微孔有机聚合物难以加工成膜这一关键问题。设计、制备具有质子传输通道的磺化聚磺酰胺、微孔聚苯并咪唑质子传输膜。在高导电质子传输均质膜表面，通过界面聚合，引入交联磺化聚磺酰胺阻醇层,制备高阻醇的质子传输复合膜。设计制备可溶解加工的固有微孔气体分离、质子传输膜材料。通过本项目的实施，理论上建立微孔有机分离膜材料的分子设计及制备方法，揭示微孔有机分离膜材料分子结构、孔结构对分离性能的影响。技术上解决微孔有机材料难以加工制备成膜问题，研究出新一代的基于微孔有机材料的纳滤、质子传输和气体分离膜。

设计制备了基于三苯胺、三苯膦及四苯基季磷单体的官能化微孔有机聚合物。微孔聚合物比表面积可达1362m2g-1，在273K, 0.1MPa条件下，对二氧化碳的吸附达到4.6mmolg-1。聚合物高的比表面积源于单体的拓补结构及由此产生的开放联通的孔。基于三苯膦的微孔聚合物可固载钯纳米粒子，催化氯苯的Suzuki偶联反应，产率高达98%。同时，含季磷的微孔聚合物可高效催化二氧化碳与环氧的加成反应。采用Pd催化的C-N偶联反应，制备了含有刚性、大体积四苯甲烷基团的聚胺酰亚胺。四苯甲烷侧基赋予聚合物高的热稳定性、大的自由体积及良好的溶解性。聚胺酰亚胺气体分离膜表现出优异的CO2渗透通量及CO2/CH4分离选择性，其分离性能接近1991年Robeson 理论上限。研究揭示了刚性及大的自由体积可有效提高聚酰亚胺的气体分离性能。研究发展了在多孔基底上，采用具有拓补结构的四苯甲烷四酰氯及多元联苯酰氯单体，通过界面聚合，制备微孔有机聚酰胺膜材料的方法。解决了微孔有机聚合物难以加工成膜的问题。研究结果表明，分离层孔隙率及自由体积的增加，提高了膜的水通量。纳滤膜的分离性能优于商品化的纳滤膜。研究发现单体的组成与结构对反渗透膜的化学组成、链结构及表面形貌有重要影响。通过控制线性单体与交联单体的比例，适当增加交联点间线性链的长度，增大了聚酰胺网络孔，从而提高了聚酰胺复合膜的水通量。通过共聚合方法制备的反渗透膜材料的性能：水通量：44.4L/m2h，脱盐率:99.7%，达到了同期国际先进水平。建立了以酚酞为原料，制备官能化聚醚砜膜材料的合成方法。制备了一系列含叔胺、季铵、羧酸、磺酸及两性离子基团的聚醚砜膜材料。研究发现侧链含脂肪离子基团的聚醚砜，在聚合物成膜过程中，可形成亲水-疏水分离的微相分离结构。离子基团相互聚集形成纳米级的可促进离子传输的离子传输通道。离子交换膜显示了高的导电性、低的溶胀率；聚醚砜本身具有良好的耐氯氧化性能，而含叔胺、两性离子基团的聚合物又具备良好的抗污染性能。与山东威高集团合作，建立了年产10万平米的抗污染聚砜微孔滤膜生产线，已生产微孔滤膜50万平米，在相同性能情况下，产品价格比进口产品低30%。