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用于小气体分子可控输送的具有级联空腔的微孔聚合物

    在膜分离中,分子与膜孔的相对大小决定着物质分离时的质量通量和分离效率。在复杂分子分化的应用中,如在天然气处理中,膜上的级联孔径分布允许不同的渗透分子分离而不降低其吞吐量,故通过膜孔的分子工程来调控膜界面上的质量运输对于提高产品分离效率和生产力至关重要。有实验研究典型的微孔聚合物如聚(1-三甲基硅基-1-丙烯)的直接氟化作用,氟化过程主要应用于“无孔”聚合物,如聚环二苯、聚砜和聚酰亚胺(PIs),然而,这些尝试未能达到表面膜孔分层细化的目的。但在微孔膜材料的最新研究中,为了满足节能分子传输应用日益增长的需求,对聚合物、石墨烯、沸石和金属-有机框架进行了一系列研究。本研究通过对聚合物前驱体的直接氟化,发现能够简化膜孔径分布的细化和组织,形成具有多模式孔径分布的膜微孔,可以控制小气体分子运输,并且研究用此方法在几个工业相关的中空纤维模块化平台上实现了高效的气体分离性能。
    在近期一篇发表于《
Science Advances》的文章中,Jong Geun Seong
Won Hee Lee等研究人员用分子氟对微孔聚合物膜表面进行修饰,分子氟穿透微孔界面,与刚性聚合物骨架发生反应,形成具有多模式孔径分布的膜微孔。氟具有埃级孔径,可以控制分子传输。我们用此方法在几个工业相关的中空纤维模块化平台上实现了高效的气体分离性能,本研究专门针对几种TR聚合物和PIMs聚合物进行研究,并和一种具有代表性的无孔聚合物PI进行比较。研究假设,通过取代微孔内部即孔壁内缘成分的原子,可以对其表面孔径及其分布进行裁剪。TRPIMs骨架被考虑,因为它们的刚性芳香段直接与刚性的杂环相连,阻碍链内旋转,从而帮助永久维持所需的微孔结构。在氟暴露过程中,与TRPIMs芳香族聚合物骨架相连的动力学直径为(2.89A)的氢原子逐渐被较大的氟原子(3.65A)所取代。元素氟对孔隙大小和分布的控制使其产生埃级孔径,可以通过操纵来调节质量传输,并且表面修饰的分子氟并没有明显地改变底层体膜的物理化学特性,为了从概念上阐明氟操纵孔隙结构在实际分子分离问题中的有效性,基于sb-PALS揭示的孔径信息,进行了分子动力学(MD)模拟,确定了薄膜前所未有的渗透能力,这种孔隙调节的方法明显提高了本研究中所有聚合物的分离性能。
    该研究证明了用元素氟裁剪膜表面结构提供了一种清晰的方法来解决生产力和分离效率之间的性能权衡关系,特别是在天然气处理和其他重要的气体分离应用中。将实验孔径分布和气体分离实验成功地与概念
MD模拟以及简化的非均匀膜表面串联电阻模型相结合。探究其级联微孔聚合物膜对气体分离性能的影响。在实际生产应用中,这种方法还有另外两个好处:1、由于对反应域的精确控制,具有膜均匀性的可扩展生产;2、不需要使用昂贵的全氟聚合物,并且还能回收昂贵的全氟溶剂。它还可以应用于吸收材料、催化剂和界面来控制质量传输。未来这种方法还可以扩展到微孔材料、吸收材料、传感材料和具有整体或混合多晶部分的材料或催化剂。

QYIM & AMSC Y RAN编报)

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