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浙江大學(xué)徐志康教授/張超研究員團(tuán)隊(duì) Small:支撐液膜穿上聚酰胺裝甲,耐用的新型氣體分離膜
2024-02-22  來源:高分子科技

  人們期待能夠依靠穩(wěn)定高效的方式,從各類工業(yè)廢氣或空氣中捕獲富集二氧化碳,并將之用于更具附加值的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中去,在解決環(huán)境問題的同時(shí),創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。制備獲取兼具高效、長(zhǎng)期服役、耐壓的二氧化碳?xì)怏w分離膜是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的一大關(guān)鍵技術(shù)。


1. 裝甲離子液體支撐液膜的設(shè)計(jì)思路(A)和制備過程(B)。


  徐志康教授/張超研究員團(tuán)隊(duì)用烷烴-離子液體界面聚合在離子液體支撐液膜表面原位合成高滲透性的聚酰胺納米薄膜作為支撐液膜的裝甲,克服了傳統(tǒng)離子液體支撐液膜在高壓和長(zhǎng)期吹掃下易擊穿而失效的問題,構(gòu)建穩(wěn)定高效、耐高壓的聚酰胺裝甲離子液體支撐液膜材料(圖1)。將這一原位生長(zhǎng)的高滲透性裝甲原位裝備在離子液體支撐液膜上,可以有效提升支撐液膜的擊穿壓力。其提升程度和最終的擊穿壓力與聚合物的底膜孔徑有關(guān)。例如,孔徑最小的PVDF 0.1 μm底膜形成的支撐液膜擊穿壓力約為243 kPa,而增加了裝甲后,其擊穿壓力為500 kPa,提升了104%(圖2 A)。這一擊穿壓力的顯著提升是由于裝甲改變了支撐液膜的擊穿過程。向支撐液膜的表面裝備一層聚酰胺裝甲后,離子液體不再直接與空氣形成界面,而是在外在壓力作用下,使得聚酰胺裝甲彎曲,當(dāng)聚酰胺裝甲的形變超過其斷裂伸長(zhǎng)時(shí),裝甲被擊穿并連帶支撐液膜同時(shí)被擊穿(圖2 BC)。


2. 裝甲離子液體支撐液膜的擊穿壓力。以小孔徑PVDF微濾基底制備的裝甲離子液體支撐液膜,其擊穿壓力提升更為明顯(A)。裝備裝甲改變了離子液體支撐液膜的擊穿過程(B)。裝甲離子液體支撐液膜的擊穿是由裝甲的機(jī)械強(qiáng)度控制的,其擊穿壓力與PVDF支撐基底的孔徑有著預(yù)期的線性關(guān)系(C)。


3. 裝甲離子液體支撐液膜優(yōu)秀且耐用的二氧化碳分離性能。


  另一方面,裝甲離子液體支撐液膜具有優(yōu)秀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在長(zhǎng)期測(cè)試中,常規(guī)支撐液膜僅運(yùn)行36 h即擊穿。而裝甲支撐液膜可以連續(xù)運(yùn)行超過150 h,其二氧化碳/氮?dú)饫碚摲蛛x比逐漸增加(圖3 AB)。裝甲離子液體支撐液膜的穩(wěn)定運(yùn)行壓力超過先前報(bào)道的各類支撐液膜(圖3 C)。同時(shí),其長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的CO2/N2氣體分離性能也超過先前報(bào)道的以四氟硼酸鹽形成的離子液體支撐液膜材料(圖3 D)。


  綜上所述,裝甲離子液體支撐液膜在不影響分離效率的情況下顯著提高了傳統(tǒng)支撐液膜的穩(wěn)定性,使其適用于需要高壓和長(zhǎng)期服役的廣泛氣體分離工況。同時(shí),原位界面聚合制備方法的簡(jiǎn)便性和通用性使得裝甲設(shè)計(jì)能夠很好地應(yīng)用于各種基底上。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來看,他們的設(shè)計(jì)為基于裝甲設(shè)計(jì)功能材料提供了一種新的范式,并為在CO2分離過程中開發(fā)高性能支撐液膜鋪平了道路。


  相關(guān)工作以“Supported Ionic Liquid Membrane with Highly-permeable Polyamide Armor by In Situ Interfacial Polymerization for Durable CO2 Separation”為題發(fā)表在Small上。論文的第一作者為博士研究生薛育仁,通訊作者為浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系徐志康教授和張超研究員。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和浙江省自然科學(xué)基金的資助。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202310092

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