共价有机框架膜制备及纳滤性能研究

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膜分离是解决我国资源短缺、能源消耗大、环境污染严重等重大问题的关键技术。高性能膜材料是实现膜高效分离的关键。共价有机框架材料(COFs)是一种以共价键连接的多孔晶态聚合物,具有周期性规整孔道结构、耐化学稳定性优异等特点,是一种理想的膜材料。然而,COFs通常以固体粉末存在,几乎不溶于任何溶剂,这使得COFs可加工性、成膜性较差。本论文采用聚多巴胺层、二维晶种层和COFs中间层介导制备了一系列COFs膜,膜展现出较优异的纳滤分离性能。期望通过本论文的开展,为分子分离、盐离子/水分子分离COFs纳滤膜的设计制备和结构调控提供参考。主要研究内容如下:(1)采用聚多巴胺(PDA)层介导,基于仿生粘合和原位生长技术,在多孔支撑体上制备了离子型TpPa-SO3H/MPAN膜。PDA层通过多重相互作用(共价、氢键、π-π相互作用等)为COF构筑单体提供了丰富的吸附、锚定位点,促进TpPa-SO3H异相成核生长。PDA沉积时间为1 h时,PDA层厚度约为10 nm,可提供丰富的构筑单元吸附位点,而不引入额外的水传质阻力。最优化条件下制备的TpPa-SO3H/MPAN膜纯水通量为134.6 Lm-2h-1bar-1,对铬黑T和刚果红的截留率分别为99.2%和99.1%。(2)采用二维晶种层介导,基于液-液界面聚合、真空辅助自组装和反向扩散技术,制备了离子型TpPa-SO3H/PAN膜。TpPa-SO3H晶种层调控COF构筑单体扩散-反应行为,诱导TpPa-SO3H限域生长,有利于更好消除TpPa-SO3H/PAN膜晶间缺陷,膜内部通道壁面电荷可强化静电排斥机制,实现高效脱盐。晶种层的厚度可通过TpPa-SO3H纳米片分散液体积量调控。最优化条件下制备的TpPa-SO3H/PAN膜纯水通量为1.4 Lm-2h-1bar-1,对Na2SO4的截留率为92.3%。(3)采用COF中间层介导,基于仿生粘合、原位生长和反向扩散技术,制备了离子型和非离子型双层COFs膜。COF中间层为COF表层生长提供了限域空间与模板,实现了多种离子型和非离子型双层COFs膜的可控制备。利用两层COF界面限域,创造错位缩孔结构,非离子型双层COFs膜可实现尺寸筛分机制强化,离子型双层COFs膜可实现尺寸筛分和静电排斥机制协同强化,最终实现高效脱盐。最优化条件下制备的非离子型TpPa/TpPa/MPAN膜的纯水通量为2.0Lm-2h-1bar-1,对Na2SO4的截留率为90.2%;最优化条件下制备的离子型TpPa-SO3H/TpPa-SO3H/MPAN膜的纯水通量为13.1 Lm-2h-1bar-1,对Na2SO4的截留率为98.3%,是目前文献中报道脱盐性能最优的COF膜。
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