基于儿茶酚化学的自具微孔聚合物复合膜结构调控及其分子分离性能研究

It is highly desirable and a research hotspot to develop the nanofiltration (NF) membranes with both high flux and high separation accuracy in membrane separation industry. Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) are a class of amorphous covalent organic materials having intrinsic porous architechtures with pore size less than 2 nm. It is believed that PIMs have great potential as selectively permeable membrane materials. However, so far rare work has been done on the preparation and applications of PIM membranes used in the liquid phase separation processes. The recent advances of catecholic chemistry bioinspired by mussel foot proteins offer a new strategy to develop highly permeable NF membranes prepared from PIMs. This project will focus on the preparation and structure control of thin-film composite (TFC) membranes with PIMs as a separation layer used for molecular separation based on catecholic chemistry. To synthesize high specific surface area of PIMs with enhanced microporosity, catecholic polydopamine (PDA) oligomers or nanoaggregates will be incorporated into the molecular structures of PIMs. The hierarchical microstructures of the synthesized PDA-based PIMs will be characterized and analyzed systematically. Furthermore, a family of TFC membranes with PDA-based polyarylate PIM thin films as the active separation layer will be fabricated by interfacial polymerization. The permeation and separation properties of the fabricated TFC membranes in liquid phase molecular separation will be evaluated in detail. The effects of fabrication parameters on membrane structures and NF performances will be investigated. The objective of this project is to develop highly permeable and chemically stable TFC NF membranes for molecular separation and disclose the mechanism of water permeability enhancement of PDA-based PIM TFC membranes. The clarification of the basic scientific issues in this project will definitely contribute to the design and development of high performance membrane materials.

制备兼具高通量和高分离精度的纳滤膜是膜分离领域的研究热点和难点。自具微孔聚合物（PIMs）是一类具有本征微孔结构的有机多孔材料，在分离膜材料上有着很大的应用潜力，目前PIM膜材料用于纳滤的研究还处于起步阶段，近年来儿茶酚化学的发展为高通量PIM纳滤膜的制备提供了新思路。本项目从分子设计出发，将聚多巴胺（PDA）低聚物或纳米聚集体引入到PIMs的合成中，研究这类PIMs的微结构特征及其调控规律。进一步通过界面聚合制备以PDA基PIM薄膜为分离层的TFC纳滤膜，考察配方和工艺条件对膜结构的影响，实现PIM复合膜的可控制备。在此基础上，对这类膜材料在液相分离体系中的分子分离性能进行全面评价，分析膜材料结构与服役性能之间的相互关系，阐明其渗透与分离机理。本项目通过儿茶酚化学方法调控PIM分离层的结构，制备具有高渗透性和高化学稳定性的复合纳滤膜，对高性能分离膜材料的研究与开发具有重要的科学意义。

制备兼具高通量和高分离精度的纳滤膜是近年来膜分离领域的研究热点与难点。自具微孔聚合物（PIMs）是一类具有本征微孔结构的有机多孔材料，在分离膜材料上有着很大的应用潜力，但还存在结构调控难、孔径分布宽、服役稳定性不足等关键瓶颈。本项目围绕PIMs复合膜的设计与制备及其结构调控展开研究，创新性地采用儿茶酚化学手段对PIMs复合膜的多层次结构进行调控，其主要研究内容与成果包括三个方面：①基于儿茶酚化学的PIMs复合膜设计、制备及其分子分离性能；②基于PIMs的新型吸附膜材料设计、制备与应用；③面向有机溶剂分离体系的PIMs分离膜结构设计、制备与性能。.通过本项目的研究，建立了界面聚合制备PIMs复合分离膜的方法，掌握了聚多巴胺（PDA）及其低聚物在制膜过程中调控PIMs分离层结构的规律，成功制备出多种分子级分离精度的PIMs复合膜，实现了PIMs分离层的超薄化和孔径窄分布。相对于传统的聚酰胺复合纳滤膜，本项目制备的PIMs复合膜具有高渗透通量、高分离精度的优异特性。进一步采用纳米材料掺杂、热退火等手段调控分离层的聚集态结构，显著提升了膜材料的耐老化性能和溶剂耐受性。这些研究工作为制备高渗透通量、高分离精度、长效稳定的复合纳滤膜提供了坚实的理论基础与方法论指导。 .本项目的相关研究结果已在J. Membr. Sci.、Desalination, J. Hazard. Mater.、Langmuir、J. Colloids Interf. Sci.、Sep. Purf. Tech.、Ind. Eng. Chem. Res.等国内外主流学术期刊发表论文24篇、申请中国发明专利4项（其中2项已获得授权）。项目负责人获得2019年中国化工学会科技进步一等奖（1/13）、2019年中国石化联合会青年科技突出贡献奖、2020年教育部自然科学二等奖（2/10），并入选浙江省万人计划科技创新领军人才。本项目资助培养毕业博士生4人、硕士生2人，资助在站博士后1人、在读硕/博士研究生3人。资助参加国际学术会议与交流7人次，国内外学术会议报告9个（其中国际会议报告5个）。项目完成了预定的研究任务，实现了预期的研究目标。