有机纳米材料改性聚合物分离膜的结构调控与性能优化

The dispersion stability of nanomaterials in the polymer matrix and the interface compatibility between them are key factors for preparing nanocomposite membranes. Polymer separation membranes modified by blending with inorganic nanomaterials have technological bottlenecks in these aspects. In order to obtain high-performance nanocomposite membrane, the modification of polymer separation membranes by blending with organic nanomaterials has been proposed in this project. Organic nanomaterials would be designed from the molecular and nanoscale levels and prepared with well-controlled functional groups and nanomorphology, improving the dispersion of the nanomaterials in the polymer matrix and interface structure between them. Thereby, the effect of organic nanomaterials on polymer separation membrane formation, structure and performance would be investigated. The theories and methods of structure regulation and performance optimization of polymer separation membranes using organic nanomaterials would be established. Under the guidance of the theory, nanocomposite ultrafiltration membranes with high permeability, rejection, antifouling performance and stability, and nanocomposite gas separation membranes with high CO2 permselectivity, pressure-resisting performance and thermal stability would be developed. This project will provide theoretical and technical basis for membrane modification by using organic nanomaterials, and offer a new idea for developing high-performance nanocomposite separation membranes.

纳米材料在聚合物基体中的分散稳定性以及两者的界面相容性是制备纳米复合膜的关键因素。无机纳米材料共混改性聚合物分离膜在这两方面存在着技术瓶颈。为获得高性能纳米复合分离膜，本项目采用有机纳米材料共混改性聚合物分离膜，从分子水平和纳米尺度上设计有机纳米材料的结构，并在功能基团和纳米形貌上实现可控制备，改善纳米材料在聚合物基体中的分散性及两者的界面结构。进而考察有机纳米材料对聚合物分离膜成膜过程、膜结构和膜性能的影响，建立有机纳米材料对聚合物分离膜结构调控和性能优化的理论和方法。在这一理论方法指导下，研制出具有高渗透性能、截留性能、抗污染性能和持久稳定性能的纳米复合超滤膜，以及具有高CO2渗透选择性能、耐高压性能和热稳定性能的纳米复合气体分离膜，为有机纳米材料改性聚合物分离膜提供理论和技术基础，并为研制高性能纳米复合分离膜提供新的思路。

项目重点研究有机纳米材料对聚合物分离膜的多层次结构调控和性能优化。在高性能纳米复合超滤膜的研制过程中，一方面采用分散聚合法制备获得不同微观形貌和化学结构的聚苯胺纳米材料，并对超滤膜进行共混改性，结果表明小尺寸和高分散性的聚苯胺纳米材料可以更有效改善超滤膜结构、提高超滤膜渗透性能和抗污染性能；另一方面提出新的纳米复合超滤膜制备工艺，通过纳米材料在成膜过程中的自组装获得纳米复合超滤膜，解决了纳米材料在铸膜液中的分散问题，获得高通量、耐压密和抗污染的纳米复合超滤膜。在高性能纳米复合气体分离膜的研制过程中，一方面采用聚苯胺纳米材料改善支撑膜表面性质或者致密层结构达到优化气体分离性能的目的；另一方面通过金属有机框材料共混改性致密层，提升气体渗透通量和分离因子。.总之，本项目的实施实现了有机纳米材料对聚合物分离膜的多孔支撑层、界面层和致密分离层的结构调控，达到提升膜渗透选择性能和稳定性能的目的。有机纳米材料通过共混改性不仅可以有效改善超滤膜的孔结构和表面性质，以及气体分离膜分离层的自由体积和渗透性质，还可以通过调节多孔支撑层的表面性质优化致密复合膜（纳滤膜或气体分离膜）的分离性能。项目的实验研究成功研制出多种具有高渗透选择性能、抗污染性能和持久稳定性能的纳米复合超滤膜，以及具有高CO2渗透选择性能和热稳定性能的纳米复合气体分离膜。