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浙江大學徐志康教授/張超研究員團隊 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定高效的方式,從各類工業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生產活動中去,在解決環境問題的同時,創造更多的經濟價值。制備獲取兼具高效、長期服役、耐壓的二氧化碳氣體分離膜是實現“碳中和”的一大關鍵技術。


1. 裝甲離子液體支撐液膜的設計思路(A)和制備過程(B)


  徐志康教授/張超研究員團隊用烷烴-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,克服了傳統離子液體支撐液膜在高壓和長期吹掃下易擊穿而失效的問題,構建穩定高效、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。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,當聚酰胺裝甲的形變超過其斷裂伸長時,裝甲被擊穿并連帶支撐液膜同時被擊穿(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械強度控制的,其擊穿壓力與PVDF支撐基底的孔徑有著預期的線性關系(C)


3. 裝甲離子液體支撐液膜優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秀的長期穩定性。在長期測試中,常規支撐液膜僅運行36 h即擊穿。而裝甲支撐液膜可以連續運行超過150 h,其二氧化碳/氮氣理論分離比逐漸增加(圖3 AB)。裝甲離子液體支撐液膜的穩定運行壓力超過先前報道的各類支撐液膜(圖3 C)。同時,其長期運行時的CO2/N2氣體分離性能也超過先前報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支撐液膜的穩定性,使其適用于需要高壓和長期服役的廣泛氣體分離工況。同時,原位界面聚合制備方法的簡便性和通用性使得裝甲設計能夠很好地應用于各種基底上。從更長遠的角度來看,他們的設計為基于裝甲設計功能材料提供了一種新的范式,并為在CO2分離過程中開發高性能支撐液膜鋪平了道路。


  相關工作以“Supported Ionic Liquid Membrane with Highly-permeable Polyamide Armor by In Situ Interfacial Polymerization for Durable CO2 Separation”為題發表在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高分子科學與工程學系徐志康教授和張超研究員。該項工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和浙江省自然科學基金的資助。


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

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