聚合物微孔膜限域界面微反应器的设计及其吸附促进催化、分离及主动抗污机理研究

The proposal aims to design a novel interface micro-reactor to realize the adsorption facilitated catalysis of high toxic and non-biodegradable aromatic organic compounds and initiative fouling resistant performances based on the confined porous surface. We are focusing on the local concentration of aromatic organic compounds on the membrane interface, and the mechanism of adsorption facilitated catalysis. We are tuning the micro-/nano- confined porous surface through the template method and micro-phase separation. We will be improving the surface superwettability via interface crosslinking technique. Crosslinked cyclo-macromolecules (e.g. β-cyclodextrin) will be immobilized on the membrane surface, the free volume of the microgel layer will be tuned by the aliphatic and aromatic based crosslinking agents to control host-guest adsorption. Various structured dual components nano-particles composed of noble metals and metallic oxides will be anchored onto the confined membrane surface through the cage effect. Therefore, a novel interface micro-reactor will constructed to realize the continuous dynamic catalysis of aromatic organic compounds (e.g. p-nitrophenol), and improve the initiative fouling resistant and separation performances. We mainly aim to the interface adsorption facilitated catalysis and fouling resistance through the super-affinitive confined micro-/nano- structure anchoring cyclo-macromolecules and dual component nano-particles.

本课题针对高毒性难生物降解芳香族有机物，基于聚合物微孔膜的亲和性限域微纳孔结构表面，设计新型界面微反应器，以实现其吸附促进催化、分离及主动抗污染性能。重点研究芳香族分子的界面微环境吸附富集行为，及吸附动力学对催化过程的促进强化机理。通过微相分离协同模板法调控微孔膜的表面限域微纳孔结构，通过基于硅化学的界面交联操控微孔膜表面的超亲和性；进而在膜表面负载交联大环分子（如β-环糊精），通过脂肪型和芳香型环氧交联剂来调控界面微凝胶层的自由体积，从而调控其界面超分子吸附作用；通过限域微纳孔结构固定多形态贵金属及氧化物二元纳米粒子，构筑超稳定微结构及刚性催化界面，最终实现界面微反应器对芳香族有机物（如对硝基苯酚）的连续动态催化，同时提高其主动抗污染及分离性能。通过研究超亲和表面及限域微纳孔结构对大环交联分子和二元纳米粒子的构筑机制，重点解决界面微反应器的吸附行为对催化及主动抗污过程的促进强化关键问题。

针对高毒性难生物降解有机物，基于聚合物微孔膜的亲和性限域微纳孔结构界面，设计新型界面微反应器，以实现其吸附促进催化、分离及主动抗污染性能具有重要意义。.基于此，本课题的主要研究内容如下：通过微相分离协同模板法调控微孔膜的表面限域微纳孔结构，通过基于硅化学的界面交联操控微孔膜表面的超亲和性；通过膜表面负载交联大环分子，并基于脂肪型和芳香型环氧交联剂来调控界面微凝胶层的自由体积，实现调控其界面超分子吸附作用；通过限域微纳孔结构固定多形态催化剂纳米粒子，构筑超稳定微结构，最终实现界面微反应器对有机物的连续动态催化，同时提高其主动抗污染及分离性能。.(1) 结合相转化与模板法，具体通过界面微溶胀及硅烷偶联剂水热反应，将合成的预聚分子负载在聚合物膜表层及内部孔道表明，并通过基于预聚分子的表面接枝得到浸润性性质相似的催化剂纳米粒子，形成稳定的复合表面。实现了催化剂纳米粒子在膜表明的稳定负载。.(2) 通过一系列多维度催化剂纳米材料的制备，实现了微孔膜表面复合催化结构的功能修饰。具体结合多巴胺原位沉积、表面接枝、纳米催化剂原位生长等方法提高催化剂纳米粒子与膜表面的相互作用。实现了多种催化剂纳米粒子在膜表面的稳定负载。.(3) 通过聚合膜双连续限域微孔结构的设计，并结合催化剂原位结晶生长，实现催化剂纳米粒子在膜本体中的牢固负载。所制备的PVDF/PB复合催化表现出优异的高效、长效催化、分离稳定性。.上述研究结果对于制备聚合物催化复合膜具有重要的理论支撑作用，特别是深入理解界面微反应器的吸附行为、催化机理及主动抗污染过程等关键问题，及设计各种不同性能的催化分离复合膜，提供了新的理论和经验参考。