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華科大王艷教授團(tuán)隊 Mater. Horiz.：可控氫鍵交聯(lián)PDMS膜實現(xiàn)超快醇水分離
2023-05-19  來源：高分子科技

  作為一種可替代石油燃料的新型環(huán)？稍偕茉，生物醇類能源近年來在全球范圍內(nèi)得到了越來越多的關(guān)注，但高效分離純化技術(shù)的缺乏卻限制著其進(jìn)一步的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。目前，具有良好親有機(jī)性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）滲透汽化膜在醇水分離研究領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，但前期研究主要集中于共價交聯(lián)PDMS膜的研究。然而共價交聯(lián)后的PDMS膜一般具有高交聯(lián)度和強(qiáng)相互作用，導(dǎo)致了膜的滲透通量降低。如何解決這一問題一直是該領(lǐng)域重大挑戰(zhàn)之一。


圖1. 可控氫鍵PDMS膜分離示意圖


  近期，華中科技大學(xué)王艷教授團(tuán)隊提出了一種新的PDMS膜制備策略，即用氫鍵交聯(lián)替換傳統(tǒng)的共價鍵交聯(lián)，制備了可控氫鍵的PDMS基滲透汽化膜（圖1）。通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖2），調(diào)控了PDMS膜內(nèi)的氫鍵含量（圖3），進(jìn)而改變了PDMS膜內(nèi)分子鏈柔性（圖4）。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著PDMS膜內(nèi)氫鍵含量的降低，PDMS分子鏈柔性增加，從而顯著地增加滲透通量和維持乙醇/水分離因子幾乎不變（圖5a）。這項研究工作超越了目前所報道的醇水分離膜的分離性能（圖5b），為制備新一代膜材料提供了一個研究思路。該工作以“Controllable hydrogen-bonded poly(dimethylsiloxane) (PDMS) membranes for ultrafast alcohol recovery”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k）。文章第一作者是華中科技大學(xué)朱騰陽博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)項目的資金支持。 


圖2. PDMS基滲透汽化膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和氫鍵結(jié)構(gòu) 


圖3. PDMS基滲透汽化膜內(nèi)（a）理論氫鍵含量、（b）氫鍵指數(shù)和（c）實際氫鍵含量
 

圖4. PDMS基滲透汽化膜的（a）玻璃化溫度（Tg）和（b）流變性能
 

圖5. APDMS/HPDMS(e:f)-HDI膜的（a）滲透汽化性能和（b）分離性能比較圖

  華中科技大學(xué)王艷教授團(tuán)隊近年來一直致力于醇水分離研究，包括從醇中脫水和從水中回收醇兩方面的應(yīng)用。關(guān)于醇中脫水的研究，主要集中于中空纖維超薄復(fù)合膜的制備，主要采用金屬交聯(lián)輔助（Chem. Eng. J. 2022, 448, 137773; Adv. Membr. 2023, 3, 100062）和二次界面聚合（AlChE J. 2021, 67, e17144）等策略。關(guān)于水中回收醇的研究，主要集中于制備PDMS基復(fù)合膜，通過ZIF粒子的引入（J. Membr. Sci. 2020, 598, 117681; ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 12664-12676）、微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑（J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 104977）和PDMS分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計（Mater. Horiz. DOI: 10.1039/d3mh00250k）等策略，實現(xiàn)PDMS膜性能的提升。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/d3mh00250k

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