课题基金 / 基金详情

磺化聚酰胺复合纳滤膜的分子设计、过程调控及分离机理研究

批准号:
51778292
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
王连军
依托单位:
学科分类:
城市污水处理与资源化
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
张丽彬、李猛、董天都、方小峰、潘顺龙、郑峻峰、邱翔、姚宇健

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
荷电纳滤膜由于其特殊的孔径筛分与电荷效应,使得其在化工、环保、食品、医药等诸多领域具有很广阔的应用前景。目前,商用纳滤膜主要通过界面聚合法制备,其中的聚酰胺复合脱盐层大都局限在以聚哌嗪酰胺为分子结构的体系内,选择面相对较窄。本项目以开发出可与聚哌嗪酰胺分离性能相比拟的膜材料为目标,提出新型磺化分离膜的概念,力图从源头拓宽膜材料分子结构的可选择性。以分子设计为切入点,通过功能需求调控主链形式;进而以膜材料制备为基础,通过工艺过程优化获取最佳参数条件;最后,以宏观性能的需求为标尺评估膜材料分离性能等重要指标,从而给出材料本身构效关系的耦合反馈。全过程辅以原子、微观及介观尺度的模拟,实现分子亲核性的数值化分析、界面聚合过程本体模型的构建并揭示“溶质-聚合物-水”之间的相互作用机理。本项目的开展,可以为新型纳滤膜的开发及工业应用提供理论基础与技术支撑。
英文摘要
Due to its special pore and charge effects, nanofiltration membrane has a great potential for use in chemical engineering, environmental, food, pharmaceuticals industry, etc. The state-of-the-art nanofiltration membranes are commonly fabricated via interfacial polymerization (IP), of which are still limited in the polypiperazine-amide (PA-PIP)-based thin film composite (TFC). Aiming to develop novel nanofiltration membrane materials with comparative separation performance, a sulfonated polyamide (SPA) concept is put forward so as to expand the choices of precursors in aqueous solution. Initially, the current project is to start with the molecular design, with the main-chain type purposefully adjusted in considering the processability, solubility, diffusion ability and so forth. Furthermore, the membranes are then fabricated, and the optimum parameters are obtained during the IP processes. Finally, the separation performances of the TFC membranes are systematically evaluated, utilizing the real-state application requirement as a reference. Notably, the internal “structure-performance” relationship is simultaneously studied with the aid of multi-scale simulation methods, i.e., sites reactivity on a molecule is obtained on an atomic scale, the separation mechanism between membrane chemistry and pollutants is investigated by molecular dynamics, and the IP model with regard to the structural evolution is fulfilled on a mesoscopic scale. It is anticipated that, the new understandings brought by this type of SPA nanofiltration membrane will significantly promote the development of the pressure-driven membrane research field to the industrial applications.
作为洁净水的终端处理工艺,纳滤、反渗透乃至正渗透膜技术扮演着重要的角色。然而,无论是纳滤、反渗透乃至正渗透膜,其脱盐层的化学结构无一例外是以哌嗪(PIP)或间苯二胺(MPD)作为水相单体,国外公司对此类化学结构和工艺过程有着极其严格的专利保护。因此,自主设计并开发具有优异性能的新型分离膜是非常必要的。本团队首先跳出PIP/MPD分子束缚,从源头开发磺化聚酰胺复合膜。通过分子设计、合成出一系列磺化二胺单体,并以此作为唯一水相单体以制备磺化聚酰胺复合膜;探究了单体浓度、界面聚合时间等的选择对脱盐层形成的影响;并考察了新型膜水通量、无机盐/有机物截留、稳定性及抗污耐氯等方面的综合性能,同时引入了分子动力学模拟,重点研究了不同分子结构对膜材料分离性能的影响以及对溶质/污染物质的截留筛分机理。此外,通过封端技术以消除游离氯攻击胺基带来的官能团结构及聚合物构型的变化,实现聚酰胺复合膜耐氯性的提升。另一方面,项目组开发出一系列自支撑正渗透均相薄膜,在彻底消除内浓差极化的基础上实现分离性能及抗污性能的同步强化;通过功能需求调控分子构型制备目标聚合物,并通过工艺优化制备膜材料;以宏观性能需求为标准评估了其分离性能,分析了该膜构效关系和分离机理;并构建了合理的FO-MD耦合工艺,深度浓缩的同时实现汲取溶液的原位再生,强化了工艺的兼容性及稳定性。最后,针对现有有机分离膜在染/盐选择性低、渗透性低等问题,项目组通过两性离子功能化构建聚合物刷形式的石墨烯膜材料,并对膜的表面电荷进行了合理调控,实现了高“溶质-溶质”选择性的目的,并通过实验验证了该膜选择性分离的可行性和有效性。综上,系统评价了所制备新型分离膜的综合性能,建立了结构与性能对应的反馈平台,为新型膜材料的应用与推广提供了理论基础和技术支撑。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Mechanically robust poly[vinyl-(4-benzyl-N, N, N-trimethylammonium bromide) ketone]/polybenzimidazole blend membranes for anion conductive solid electrolytes
用于阴离子导电固体电解质的机械坚固的聚[乙烯基-(4-苄基-N,N,N-三甲基溴化铵)酮]/聚苯并咪唑共混膜
DOI: 10.1016/j.memsci.2018.11.008
发表时间: 2019
期刊: Journal of Membrane Science
影响因子: 9.5
作者: [Sui Yuqian, Hu Huayuan, Ueda Mitsuru, Wang Lianjun, Zhang Xuan]
通讯作者: Zhang Xuan
Synthesis and properties of poly(phenylene-co-arylene ether ketone)s with five quaternary ammonium groups on a phenyl unit for anion-exchange membranes
苯基单元上带有五个季铵基团的阴离子交换膜聚苯撑亚芳基醚酮的合成及性能
DOI: 10.1016/j.ssi.2017.10.012
发表时间: 2018
期刊: Solid State Ionics
影响因子: 3.2
作者: [Zhang Wen, Qiu Xiang, Ueda Mitsuru, Sui Yuqian, Hu Huayuan, Zhang Xuan, Wang Lianjun]
通讯作者: Wang Lianjun
A non-MPD-type reverse osmosis membrane with enhanced permselectivity for brackish water desalination
一种用于苦咸水淡化的增强选择性渗透的非MPD型反渗透膜
DOI: 10.1016/j.memsci.2018.08.015
发表时间: 2018
期刊: Journal of Membrane Science
影响因子: 9.5
作者: [Junfeng Zheng, Yujian Yao, Meng Li, Lianjun Wang, Xuan Zhang]
通讯作者: Xuan Zhang
A Self-Standing, Support-Free Membrane for Forward Osmosis with No Internal Concentration Polarization
一种用于正向渗透的自立式无支撑膜,无内部浓度极化
DOI: 10.1021/acs.estlett.8b00117
发表时间: 2018-05-01
期刊: ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY LETTERS
影响因子: 10.9
作者: [Li, Meng, Karanikola, Vasiliki, Elimelech, Menachem]
通讯作者: Elimelech, Menachem
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    硝基芳香族化合物的生物电化学还原竞争作用机制
    • 批准号:
      51378261
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      80.0万元
    • 批准年份:
      2013
    • 负责人:
      王连军
    • 依托单位:
    生物燃料电池中难降解物质强化降解作用机理及生物相优化
    • 批准号:
      50978136
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      30.0万元
    • 批准年份:
      2009
    • 负责人:
      王连军
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金