埃洛石纳米管之荷电修饰及无机-有机杂化镶嵌膜构建基础研究

The charged mosaic membrane with both anion exchanger and cation exchange groups is mainly used to separate bivalent salts from organics with low molecular weight, which has wide application prospect. In this project, ionic liquids with large charged capacity and high electric conductivity, and natural halloysite nanotube (HNT) with large number of hydroxyl groups, much cheaper and modified very easily will be selected for the preparation of inorganic-organic hybrid charged mosaic membrane. Its specific contents include: through optimizing and synthesizing quaternized ionic liquid, the positively charged HNT with grafted quaternized ionic liquid is obtained by means of surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). The other hand, the negatively charged HNT is also obtained via radical polymerization and sulphonation. And then, the above positively charged HNT and negatively charged HNT will be added into PES casting solution to prepare inorganic-organic hybrid mosaic membrane. The effects of charged HNT on the transfer mechanism and transfer ability of the charged mosaic membrane will be investigated in detail.

荷电镶嵌膜同时带有阳离子和阴离子交换基团，能有效分离低分子量有机物与二价盐，具有广阔的应用前景。本项目利用离子液体荷电容量大、电导率高和埃络石纳米管自身带有大量羟基且易修饰的特点，通过不同的改性方法，分别制备具有阳离子、阴离子交换能力的荷电埃络石纳米管，用于无机-有机杂化荷电镶嵌膜的制备研究。主要内容包括：通过合成/优选季铵型离子液体，利用表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）对埃洛石纳米管进行功能化修饰与改性，制备具有纳米尺度的荷正电颗粒（荷正电HNT）；通过自由基聚合与磺化作用，得到具有纳米尺度的荷负电颗粒（荷负电HNT）；将上述两种荷电修饰的埃洛石纳米管添加到聚醚砜铸膜液中，制备无机-有机杂化镶嵌膜，系统研究荷电HNT对镶嵌膜传递机理和传递能力的影响。

该项目针对生化、制药、染料等现代工业生产中，迫切需要从水溶性有机物中分离、脱除微量电解质的实际问题，提出以无机-有机杂化荷电镶嵌膜替代传统纳滤膜，实现低分子量有机物与二价盐的有效分离。项目对于染料行业中粗染料精制（粗染料与电解质的分离）具有重要的实际意义。..该项目的学术思想，是以无机-有机杂化理念构造荷电镶嵌膜，其优势体现在：无机-有机杂化膜在柔韧性、成膜性能、强度、机械和化学稳定性等方面能够兼具有机膜和无机膜各自之优点，相互弥补彼此之缺陷。..该项目的技术思路，是以荷电容量大、电导率高的离子液体修饰无机纳米材料作为镶嵌膜内部的荷电离子交换基团，通过预先控制和调节纳米微粒的荷电容量，实现在后续制备镶嵌膜过程中，能够调控其阴、阳离子交换单元之荷电容量，努力使其达到理想匹配，以提高荷电镶嵌膜之分离性能。..为此，该项目首先合成了季铵型离子液体单体[烯丙基三乙基氯化铵（ATEA-Cl）]，分别合成三种维度的无机纳米材料（零维球形SiO2纳米微粒、一维天然埃洛石纳米管HNTs和二维平面结构的镁铝水滑石HT纳米片），利用表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）分别对三种维度的无机纳米材料进行功能化修饰与改性，制备了具有纳米尺度的荷电微粒（荷正电SiO2、HNTs、HT）；此外，在在无机纳米材料表面接枝聚合物，通过自由基聚合与磺化作用，得到了具有纳米尺度的荷负电颗粒（荷负电SiO2、HNTs、HT）；根据荷电容量要求，将上述两类荷电修饰的无机纳米材料添加到聚醚砜铸膜液中，制备了系列无机-有机杂化镶嵌膜。采用不同的聚合物荷电修饰无机纳米材料，不仅能够提高杂化膜荷电容量，而且有利于提高无机纳米材料与聚合物膜材料的相容性。..该项目系统研究了不同维度的无机纳米材料、聚合单体、聚合条件、化学修饰等因素对荷电镶嵌膜之化学结构、形态结构、荷电容量等参数的影响；理论揭示了荷电镶嵌膜微观结构、制备工艺条件以及膜分离性能之间的关系。研究结果表明，无机-有机杂化镶嵌膜对活性染料（活性红49、活性黑等）的截留率达85%-95%，膜对电解质（MgCl2、MgSO4、NaCl和Na2SO4）截留率不超过10%。项目所制备的荷电镶嵌膜能够实现无机盐与低分子量有机物的有效分离，其分离效果优于现有的商业纳滤膜。