DOI: 10.1016/j.cej.2020.128206
選擇性滲透薄膜復合膜在基于溶劑的分子篩應用中發揮著重要作用。然而,缺乏結合了高通量、耐溶劑性以及簡單制備工藝的理想基底材料仍然是其大規模商業化實施的最大瓶頸。本文首次提出了一種采用靜電紡絲聚酰胺酸和熱亞胺化相結合的方法來制備不溶性聚酰亞胺納米纖維基底的策略。與常規的相轉化工藝相比,無水靜電紡絲工藝可使基材的機械強度提高1倍,耐溶劑性也有所提高。與最新型膜相比,所制備的薄膜納米纖維復合膜(TFNC)在水和極性非質子溶劑(如二甲基甲酰胺、二甲基亞砜和四氫呋喃)中具有較高的滲透性、截留性和穩定性,顯示出獨特的納濾潛力。使用電紡不溶性聚酰亞胺作為基底的策略為設計出高性能的TFNC膜創建了一種可擴展的方法,其適用于多種極具挑戰性的分子篩應用。
圖1.比較通過靜電紡絲和非溶劑誘導相轉化工藝生產不溶性聚酰亞胺基底的示意圖。
圖2.在亞胺化之前(a)和(b)之后的納米纖維基底的SEM圖像,其中插入了基底的光學照片和更高倍率的SEM圖像。(c)PAA和PI納米纖維基材的ATR-FTIR光譜。
圖3.(a)相反轉不對稱(左)和電紡納米纖維(右)基底的橫截面SEM圖像。(b)膜結構和亞胺化時間對PI亞胺化程度的影響。(c)PAA和PI不對稱和納米纖維基材的X射線衍射圖(XRD)。(d)將PAA納米纖維化學和物理轉化為在納米纖維軸方向上具有高度分子取向的PI納米纖維。(e)兩種基材的機械性能。
圖4.(a)層沉積對膜表面水接觸角的影響;(b)PIP-TFNC(PI納米纖維基材支撐的單PIP-PA層),PEI-TFNC(PI納米纖維基材支撐的單交聯PEI中間層)和PIP-PEI-TFNC(同時具有PEI夾層和PIP-PA選擇層的TFNC)膜表面的SEM圖像和(c)沉積工藝。
圖5.N1s元素XPS光譜和略圖:(a)PEI-TFNC表面;(b)PIP/水相沉積后的膜表面和(c)PIP-PEI-TFNC膜表面。
圖6.(a)在不同pH下底物和復合膜的表面Zeta電位;(b)多層組裝示意圖。
圖7.(a)在δp,s?MVs-1ηs-1中純溶劑滲透率與溶劑性質的關系;(b)PIP-PEI-TFNC膜的概率密度函數曲線(插入分子量分布曲線),(c)PIP-PEI-TFNC膜對帶電染料的截留率(進料:含50ppm染料的EtOH;壓力:4.0bar)。
圖8.(a)在不同壓力下PIP-PEI-TFNC膜的純水和(b)純乙醇通量。(c)PIP-PEI-TFNC膜的長期性能。