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开发高性能膜材料是渗透蒸发过程强化的关键,高分子-无机杂化膜兼具高分子膜和无机膜的优点,有望同时获得高渗透性、高选择性和强稳定性。本论文面向清洁燃料生产的国家重大需求,以渗透蒸发乙醇脱水的过程强化为目标,以膜材料的理性设计为手段,以膜结构的优化调控为核心,制备了多种填充二维材料的渗透蒸发杂化膜。杂化膜具有适宜的界面形态、筛分功能、自由体积和亲疏水性,实现了乙醇/水分离的高效强化,为渗透蒸发膜的制备与过程强化开辟了新途径。为研究二维材料作为渗透蒸发杂化膜填充剂的优势,制备了两种沸石咪唑骨架材料(ZIF-8),颗粒状的ZIF-8P和片状的ZIF-8S,分别与海藻酸钠(SA)共混制备杂化膜。系统表征了杂化膜的结构,评价了其分离性能。在SA-ZIF-8P杂化膜内,ZIF-8P各向同性的形貌和较弱的界面相互作用,削弱了其纳米孔道的筛分功能。而ZIF-8S的二维形貌和有序取向增强了其筛分功能,强化了SA-ZIF-8S杂化膜的扩散过程。当ZIF-8S填充量为4 wt.%,杂化膜的渗透通量为1218 g/(m2h),分离因子为1840。为实现组分溶解过程和扩散过程的同时强化,将氧化石墨烯(GO)引入SA基质制备杂化膜。SA-GO杂化膜呈现出GO有序曲线的“砖-泥”形貌、反常的结晶度变化和增大的自由体积分数。通过GO的物理化学结构的调控,优化了杂化膜的界面形态、自由体积特性和亲疏水性,构建了水分子快速传递的通道,强化了杂化膜的筛分功能,提高了杂化膜的分离性能。SA-GO杂化膜的渗透通量为1699 g/(m2h),分离因子为1566,且具有较好的长期操作稳定性。为制备更高性能的渗透蒸发膜,合成了具有二维多孔的g-C3N4纳米片(CNs),并与SA共混制备杂化膜。CNs超薄的结构和较高的孔隙率可进一步降低水分子传递阻力,CNs均一的孔径分布能提供更加精密的筛分功能,CNs的高纵横比和有序取向进一步强化了其筛分能力。通过CNs对杂化膜界面形态、自由体积和亲疏水性的进一步优化,杂化膜的分离性能得到进一步提高。当CNs填充量为3 wt.%时,渗透通量高达2469 g/(m2h),分离因子为1653。杂化膜具有较高的热稳定性、机械稳定性、抗溶胀能力和良好的长期操作稳定性。