自组装具有芳烃促进传递功能的聚电解质多层膜基础研究

目前，促进传递膜面临如下亟待解决的关键问题：选择性分离层超薄化困难、载体离子流失及在聚合物中的分布不均匀导致膜的整体性能下降等。分子聚集体自组装为解决复合膜的超薄化提供了新途径，有望用于解决上述问题。本申请依据芳烃/烷烃物化性质的差异，从分子设计角度出发，以对芳烃亲和力强的含极性基团和Л电子接受体的聚电解质为构筑基元，过渡金属离子Co2+、Cu2+、或Ag+为促进传递载体，首次通过交替沉积技术组装具有芳烃促进传递功能的多层膜，用于芳烃/烷烃体系的渗透汽化分离。本课题重点研究将载体离子固载于层状结构薄膜中，进一步在外表面构筑交联的荷正电保护层，可望解决膜中载体离子流失的瓶颈问题，同时改善其分布均匀性；借助现代分析手段揭示过渡金属离子与聚电解质组装超薄多层膜在平面和非平面多孔支撑体上的生长、形貌及结构演变规律，为实现在纳米尺度空间内多层膜的自组装调控提供理论指导。

芳烃/烷烃混合物的分离在石油化工及环保领域都具有重要意义。但芳烃/烷烃混合物很容易形成共沸物或近沸物，用传统的蒸馏、萃取、吸附等分离方法存在能耗大、环境污染严重等缺点，渗透汽化被认为是解决这类分离难题的最有前途的技术之一。.本项目根据芳烃/烷烃体系的物理化学性质差异，选取对芳烃具有亲和力的PVA、PEBA、Boltorn W3000等材料为构筑基元，引入氧化石墨烯(GO)、有机金属材料(Cu3(BTC)2、(Co(HCOO)2•2H2O)及功能化MOPs为促进传递粒子，采用交替沉积技术成功组装出多种具有芳烃促进传递功能的渗透汽化复合膜。①采用动态压力驱动自组装法制备出具有“孔填充”结构的PVA/GO复合膜，利用GO的超薄片层结构及优异的机械性能，增强了膜的耐溶胀性及运行稳定性。②利用静态加压、动态自组装、浸渍-热交联等方法在无机陶瓷管式基底上构筑了有机金属材料杂化的具有芳烃优先传递的PVA/Cu3(BTC)2、PEBA/Co(HCOO)2•2H2O及MOPs/W3000复合膜。利用促进传递粒子中的芳香基团与芳烃分子间的π-π堆叠效应及Cu2+、Co2+等过渡金属离子与芳烃分子间的d-π配位作用进一步增大了两种待分离组分在膜中溶解度差异，进而提高了分离效果。制备的PVA/Cu3(BTC)2、PEBA/Co(HCOO)2•2H2O及MOPs/W3000促进传递膜用于甲苯/正庚烷体系的分离，其分离因子分别可达到11.9、5.1、19.0，通量分别可达到179、771、220.5 g/m2h，与纯聚合物膜相比，促进传递膜的分离性能得到了显著地提高。且由PEBA/Co(HCOO)2•2H2O与PEBA/CoCO3膜的稳定性实验证明了利用有机配体与金属离子的配合作用固载促进传递离子能够有效地避免运行过程中载体离子的流失问题。.以上研究结果表明了这类新兴的有机金属多孔材料在促进传递膜领域中具有潜在的应用价值。且通过自组装技术在膜层中引入有机金属材料能够较好地解决促进传递膜中杂化粒子团聚及载体离子流失导致膜的整体性能下降的瓶颈问题，为芳烃/烷烃的分离提供一类新的膜材料体系及成膜方法。