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定制交联聚合物的分子结构用于渗透蒸发脱盐
2020/3/26 9:46:45 易丝帮

DOI:10.1038/s41467-020-15038-w

聚合物交联以较低的分子输运速率为代价赋予薄膜出色的化学稳定性。在这项工作中,研究者使用分子动力学模拟来优化交联化合物的选择,以克服权衡两者的关系。通过一系列实验验证了这些模拟结果,并利用这一发现来支持渗透蒸发(PV)脱盐薄膜复合膜的开发,该膜的水通量达到234.9±8.1 kg m-2 h-1,除盐率为99.7±0.2%,在渗透蒸发和膜蒸馏方面优于现有的膜。实现这种最先进的脱盐性能的关键是在静电纺纳米纤维垫上喷涂0.73μm厚的交联致密亲水聚合物。本研究利用聚合物纳米复合材料的脱盐性能,从苦咸水、海水和盐水溶液中生产淡水,解决了淡水短缺的关键环境问题。

 

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图1.交联剂和复合PV膜的结构。a)交联剂的分子结构及交联PVA薄膜的反应方案。b)使用多孔基底(包括CPVC超滤膜、氧化铝圆盘和PAN纳米纤维垫)从NaCl进料溶液通过PVA基TFC膜的水传输图。


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图2.交联的PVA薄膜的表征。a)PVA/交联剂共混单元中COOH/COOH基团在373.15 K时的径向分布函数(RDFs)。b)在80℃的滴水试验中,自支撑交联的PVA厚膜4天的重量损失。c)使用AFM观察到的交联PVA薄膜的皱纹图案。d)相对于水溶胀的交联PVA薄膜施加的应变(ε,%)绘制的裂纹密度(2hf d-1Es-1)。e)PVA/PAN纳米纤维复合膜的起始断裂压力。(带双标的线为误差线,平均值为±标准偏差,n=3)。


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图3.光伏膜的制备工艺和脱盐性能。复合膜的制备方法和截面形貌:a,d)PVA/CPVC;b,e)PVA/氧化铝;c,f)PVA/PAN纳米纤维毡。g)PV膜脱盐性能与报告数据的比较(补充表9)。本研究所用多孔基底的N2通量(L m-2 h-1)与压降(MPa)之间的关系。


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图4.盐水和污染盐溶液的脱盐特性。a)PVA/PAN纳米纤维复合膜(本研究中)的水通量与报告的膜蒸馏(MD)数据的比较(补充图42b)。b)用0.5wt%吐温20或十二烷基苯磺酸钠(SDBS)或海藻酸钠作为有机絮凝剂处理3.5wt%氯化钠溶液和3.5wt%氯化钠溶液时,PVA/纳米纤维复合膜的脱盐性能。c-f)抗污试验后和d-j)去离子水冲洗1h后的PVA/P(AA-AMPS)涂层的表面图像。


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