二维纳米材料杂化膜制备与脱水性能强化

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高分子-无机杂化膜由于其优良的分离性能与操作稳定性,受到广泛关注。本文以开发高性能分离膜材料的科学前沿问题为导向,研究渗透蒸发乙醇脱水传质过程。利用二维材料各向异性、比表面积高、水平堆叠取向、纵横比大等优点,使二维无机材料与高分子形成砖-泥结构,构建水分子快速传递路径,优化溶解与扩散过程。为探究二维无机材料自身亲水基团与疏水骨架间,及无机材料与高分子间的亲疏水协同效应对膜性能影响,将二硫化钼(MoS2)经超声分散与细胞破碎后,掺杂到海藻酸钠(SA)高分子中制备杂化膜。SA的亲水基团通过氢键优先吸附水分子,提升了选择性。水分子在MoS2表面疏水区域摩擦阻力较小,快速滑移增加了渗透性。MoS2与SA形成了砖-泥结构,其间的自由体积孔穴以及纳米片层间隙形成了传质路径。掺杂2 wt%MoS2的杂化膜通量达到1839 g/(m2h),分离因子1229。将溶剂热法合成的二维金属有机框架材料EuBTB([Eu(BTB)(H2O)2·solvent]n(H3BTB=benzene-1,3,5-tribenzoate))掺杂到SA中制备杂化膜。EuBTB的疏水孔道利于水分子快速渗透,其羧基能优先吸引水分子。EuBTB可有效干扰SA链段分布,降低结晶度,增强渗透性。掺杂5 wt%EuBTB的杂化膜通量达到1996 g/(m2h),分离因子1160。将混酸法合成的两亲性碳材料ACM(Amphiphilic carbonaceous material)掺杂到SA中制备杂化膜。ACM的含氧基团扩大了片层间距,使其在水中稳定分散。较小的片层尺寸提升了其与SA间作用力,实现了溶解与扩散过程的集成强化。掺杂2 wt%ACM的杂化膜通量达到1778 g/(m2h),分离因子1816。
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