清华大学林亚凯、杨振忠和北京交通大学吴欢欢在ECMO氧合膜制备方面取得重大突破!

体外膜肺氧合(ECMO)俗称“人工心肺机”,主要用于为严重心肺衰竭的患者提供可持续的体外呼吸和循环,也是全球疫情中有效降低重症死亡率的“救命神器”.ECMO系统核心的部件是氧合膜和血泵,起到替代肺和心脏的作用.如何在保持较大气体通量同时提高抗渗漏性能从而提升氧合膜的使用寿命一直为其难点.

界面聚合法聚酰胺分离层形成过程的模拟研究进展

近年来通过界面聚合(IP)法制备的聚酰胺(PA)薄层复合(TFC)膜广泛应用于纳滤、反渗透等水处理领域.采用IP法制备的PA分离层的形成机理及其动力学研究对TFC膜材料的设计和调控具有关键作用.本文从历史发展和聚合方法两个维度综述了PA分离层形成过程的模拟研究,具体涉及全原子分子动力学(MD)、粗粒化分子动力学(CGMD)和耗散粒子动力学(DPD)等3种方法.其中,全原子MD模拟采用链交联、单体交联及分级交联等3类方法,以距离准则为成键依据,构建了PA的聚合过程;CGMD方法减少了体系的自由度,得到的构型更加合理;DPD引入了反应概率,得以在更大的时空尺度中研究IP扩散与反应的竞争关系.重点关注IP反应的构建,总结了各模拟方法的特点、发展及其在IP法形成PA分离层中机理解读和性能预测方面的应用.

纳滤分离机理模型的研究进展

近年来,纳滤(Nanofiltration,NF)分离技术广泛应用在物料分离、水处理等领域.对NF分离机理的认识是能够准确预测NF分离性能的理论基础.本文从历史发展的角度回顾了用于解读和预测NF分离性能的非平衡热力学模型、结构模型及其他模型.结构模型包括细孔模型、固定电荷模型、空间电荷模型、静电位阻模型、道南位阻模型与道南位阻-介电排斥模型等.总结了各模型的特点、发展及其在NF分离机理解读和性能预测方面的应用.随着分析仪器和计算机技术的进步,未来NF分离机理和理论的研究应着重于将结构模型和人工智能模型相结合,针对各种复杂的NF分离体系开展膜分离性能预测和膜材料的设计优化,以期能进一步推动NF膜的精准构筑,从而拓展其应用场景.

共沉积-交联法制备PDA/PEI PVDF中空纤维复合超滤膜

聚偏氟乙烯(PVDF)膜以其出色的化学稳定性、优异的耐高温性能和机械强度在许多领域得到广泛应用,而对膜孔径和亲水性的精确控制是优化膜分离效率、稳定性和持久性的关键.本文采用多巴胺(DA)与聚乙烯亚胺(PEI)共沉积并通过戊二醛实现交联的方法,将PVDF中空纤维膜的孔径从(119.0±3.55)nm减小到(16.2±0.36)nm,接触角由107.7°下降至61.4°,同时实现了膜孔径和亲水性调控,制备出对20 nm SiO_(2)粒子截留率可达95%以上、对尺寸更大的粒子的截留率则高达99%以上的高性能PDA/PEI-PVDF中空纤维亲水超滤膜.本研究为超/微滤膜的性能调控提供了新思路.

热致相分离法制备聚偏氟乙烯微孔膜

对聚偏氟乙烯(PVDF)/碳酸二苯酯(DPC)体系,采用热致相分离(TIPS)法制备了PVDF微孔膜.通过稀释剂的溶度参数对体系的相容性进行分析,热力学相图和不同PVDF质量浓度下制备的微孔膜断面照片均证明该体系具有较宽的液-液相分离区.PVDF/DPC体系偏晶点对应的PVDF浓度约为质量分数56%,低于此浓度体系降温后先发生液-液相分离,随着PVDF浓度的增大,微孔膜断面结构由双连续结构转变为蜂窝状结构,且膜孔孔径减小,高于此浓度体系降温后只发生固-液相分离,微孔膜断面呈块状紧密堆积结构.较快的冷却速率有利于低PVDF浓度时较小孔径膜和高PVDF浓度时较小球粒尺寸膜的生成.

等规聚丙烯在混合稀释剂中结晶行为

利用偏光显微镜和扫描电子显微镜研究了等规聚丙烯(iPP)在混合稀释剂中的非等温结晶行为和由热致相分离(TIPS)法制备的iPP微孔材料的结构。iPP的质量分数固定为30%,采用不同配比的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)/大豆油组成混合稀释剂。结果表明,混合稀释剂的配比影响体系的粘度和稀释剂与iPP的相容性,进而影响iPP球晶的生长和TIPS法制备的iPP微孔材料结构。在2K/min的降温速率的条件下,iPP球晶半径和球晶的生长速率均随时间的延长呈指数增长,iPP球晶生长速率随混合稀释剂中DBP含量的增加而降低,当iPP球晶生长时间达2min时,混合稀释剂中DBP的质量分数从0增加到60%,iPP球晶生长速率从41.9μm/min降至10.3μm/min,所制得的微孔材料断面均呈蜂窝状结构,且孔径随混合稀释剂中DBP含量的增加有明显增大的趋势。

热致相分离法制聚偏氟乙烯微孔膜稀释剂的选择

依据聚偏氟乙烯(PVDF)、邻苯二甲酸二甲酯、水杨酸甲酯、卡必醇醋酸酯、三醋酸甘油酯、邻苯二甲酸二正丁酯(DBP)、苯乙酮和二苯甲酮(DPK)的Hansen溶度参数及其相对介电常数,选择能与PVDF以液-液相分离机理进行热致分相的稀释剂,制备了具有双连续结构的微孔膜.通过比较PVDF-稀释剂间的溶度参数及相对介电常数的差异,发现PVDF-DBP体系和PVDF-DPK体系有发生热致液-液相分离的可能.实时观察上述两个体系的分相过程并测定其结晶温度,当PVDF质量分数低于30%时,随着温度的降低,PVDF-DPK体系发生液-液相分离.根据PVDF-DPK体系相图,通过控制PVDF含量和降温条件,无须添加非溶剂或拉伸工艺,就可以制备出具有双连续结构的PVDF微孔膜.

热致相分离法制备乙烯-三氟氯乙烯共聚物微孔膜

通过热致相分离法制备了乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)微孔膜,考察了ECTFE与不同溶剂的相互作用参数对ECTFE/溶剂体系的液液相区的影响,通过相容性分析及对ECTFE微孔膜断面结构的观察,筛选出能与ECTFE发生明显液液相分离的溶剂——邻苯二甲酸二乙酯(DEP).热力学相图证明,ECTFE/DEP体系具有较宽的液液相分离区,偏晶点所对应的ECTFE质量分数高达55%.考察了冷却条件对ECTFE/DEP体系膜断面结构的影响,结果表明,膜断面孔径随着淬冷温度的降低而减小,在淬冷温度为458 K时膜断面孔径随粗化时间的增加而增大.

混合稀释剂对热致相分离法制备等规聚丙烯微孔膜的影响

以邻苯二甲酸二丁酯(DBP)和大豆油混合物为稀释剂,利用热致相分离(ThermallyInduced Phase Separation,TIPS)法制备了等规聚丙烯(iPP)微孔膜.结果表明,稀释剂体系中DBP和大豆油的质量比对浊点温度影响较大,而对结晶温度影响较小;随着稀释剂体系中DBP含量的增加,在固定聚合物浓度及相同的冷却条件下,多孔膜由空间网状结构逐渐转变为腔胞状结构,表面孔径也有明显的增大趋势;稀释剂的加入降低了iPP球晶的生长速率,其组成对iPP球晶生长速率也有一定影响.

热致相分离法制备乙烯三氟氯乙烯共聚物微孔膜——混合溶剂的选择

研究了混合溶剂对热致相分离法制备乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)微孔膜的影响,考察了不同非溶剂对ECTFE/癸二酸二丁酯(DBS)体系结晶趋势的影响.通过相容性分析及ECTFE微孔膜断面结构的观察,非溶剂亚磷酸三苯酯(TPP)的加入能使ECTFE/DBS体系从固液相分离转变为液液相分离.当非溶剂与溶剂的质量比比例(TPP∶DBS)为4∶6时,可制得孔径均匀的双连续结构ECTFE微孔膜.此比例下的热力学相图显示,ECTFE/DBS/TPP三组分体系具有较宽的液液相分离区,该体系偏晶点所对应的ECTFE质量分数高达50%.

聚合物微滤膜亲水化研究进展

疏水聚合物微滤膜亲水化处理中的低温等离子体、引法剂引发聚合、紫外光、γ-射线以及臭氧等表面处理技术是应用较早且较成熟的膜亲水化方法,此类方法能赋予膜表面良好的亲水性能,但对膜孔壁亲水化效果较差以及亲水稳定性是制约此项技术发展的关键;近几年来,在成膜分子骨架上接枝亲水聚合物的方法不仅能对膜表面和孔壁进行有效亲水化处理,其稳定性也有显著提高,且易实现膜的功能化而得到了广泛的应用。其物理处理法中的共混亲水化改性法是国内外应用较早的亲水化改性方法,但亲水聚合物组分的加入会影响膜结构及其分离性能;向铸膜液中添加无机填料的方法由于亲水性能提高不明显,且会较大的影响膜结构及性能,故此种方法在膜亲水化方面应用较少;而在非溶剂致相分离方法制膜的过程中,添加少量的双亲聚合物可以赋予膜稳定的亲水性能,此种方法简单易行,具有较大应用前景。目前,对于非溶剂致相分离法所制备的膜,其亲水改性方法的研究已较为成熟,但对于热致相分离法所制备的膜亲水化技术仅限于表面处理以及共聚物制膜方面。本文将从这两种亲水化方法对疏水聚合物微滤膜亲水化改性的国内外研究成果进行综述。

聚偏氟乙烯超/微滤膜的制备技术及其应用现状

超滤（UF）和微滤（MF）均是以压力差为驱动力的液体分离膜过程，UF／MF膜均为微孔膜，UF膜平均孔径范围为2～100nm，可以分离溶液中的大分子、胶体、蛋白质、微粒等；MF膜平均孔径范围为0．05～1．0μm，主要去除微粒、亚微粒和细粒物质。UF／MF膜的市场需求巨大，主要应用于饮用水净化、市政污水和工业废水深度处理与回用和反渗透前处理、化工产品分离与精制等。面对日益严峻的水资源短缺和水环境污染，

链段刚性对非溶剂致相分离成膜过程影响的耗散粒子动力学模拟

通过分子动力学(MD)模拟映射方法构建了符合聚醚砜(PES)刚性结构的耗散粒子动力学(DPD)简谐力场,并研究了PES链段刚性对PES/N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/水体系非溶剂致相分离(NIPS)过程的影响.结果表明,由于非溶剂和溶剂在两相界面上发生的质量交换,导致在相界面处PES链段发生堆积,形成了薄而致密的聚合物表层,在PES溶液内部,由于非溶剂的侵入导致体系发生了旋节相分离,从而在整体上得到了明显的非对称结构;同时,PES链段刚性的提升能够明显加快体系的相分离速度,导致相界面处的PES薄层形成得更加快速,薄层更加致密、孔径更小,而对内部的疏松结构影响较小;此外,结合不同力场下聚合物浓度对相分离过程的影响可以发现,不同PES浓度下,链段刚性的提升对相分离过程的特征和演变趋势没有造成根本性的影响,与经典的弹簧力场的模拟结果在整体趋势上有相似性.研究结果表明,简谐力场能提升PES链段的刚性,从而能更真实地模拟实际体系的非溶剂相分离法成膜过程.

疏水性聚丙烯中空纤维膜制备方法及其应用研究进展

介绍了热致相分离法和熔融拉伸法制备聚丙烯中空纤维膜的研究进展。首先重点归纳了热致相分离法中稀释剂、冷却速率、成核剂等因素和熔融-拉伸法中退火温度、熔融拉伸比等制膜工艺条件对聚丙烯中空纤维膜结构与性能的影响;然后对聚丙烯中空纤维膜在体外膜肺氧合、膜蒸馏、膜吸收、膜萃取等领域的应用进行介绍;最后对目前聚丙烯中空纤维膜在制备和应用领域所遇到的挑战及前景进行讨论和展望.

膜技术在回收电镀废水中金属离子的应用研究进展

近年来电镀行业蓬勃发展,每年平均废水总排放量占工业废水总排放量的20%左右,电镀废水中主要含有铬、镍、铜、锌等重金属污染物。膜分离技术具备分离精度高、出水水质好,无二次污染、工艺简单等特点,能够高效处理电镀废水并回收其中有价值的金属离子,实现废水资源化利用,因此在电镀废水处理中得到广泛应用。本文针对电镀废水中的铬、镍、铜、锌等主要金属离子,结合国内外近年文献,介绍了主要膜分离技术如微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、液膜等在处理电镀废水中不同金属离子的应用研究进展,最后提出膜分离技术在电镀废水处理中存在的问题并对其发展进行了展望。

双极膜电渗析技术的研究进展

在电场作用下,双极膜内的水能快速解离产生H^(+)和OH^(-),这一电化学特性使双极膜电渗析(BMED)逐渐发展为一种新型膜分离技术。首先介绍了BMED的基本工作原理,综述了其发展历程,接着介绍了近年来其在酸碱生产、污染控制、与其他化工技术耦合作用等方面的研究进展,最后提出目前应用中存在的问题,并对BMED的未来发展进行了展望。

热致相分离法制备非晶态聚合物多孔膜的研究进展

因具有影响因素少、成膜可控性强、膜孔径分布窄等优点,热致相分离(TIPS)法已成为制备聚合物多孔膜的重要方法之一.本文从相图出发,总结了近年来TIPS法制备醋酸纤维素、聚砜、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛和聚醚砜等非晶态聚合物多孔膜的研究成果,并重点分析了稀释剂、凝固浴种类、凝固浴温度以及收丝速率等重要热力学和动力学因素对相分离过程及制得的非晶态聚合物多孔膜结构和性能的影响.最后,对TIPS法制备非晶态聚合物多孔膜目前面临的挑战和发展方向进行了讨论和展望.

N-TIPS法制备聚合物多孔膜的研究进展

非溶剂-热致相分离(N-TIPS)法作为一种结合了热致相分离(TIPS)和非溶剂致相分离(NIPS)过程各自优势的聚合物多孔膜制备方法,其制备出的膜具有机械性能优良、孔隙率高等特点,近年来得到了研究者们的重点关注。从N-TIPS方法的提出出发,阐述了N-TIPS法制备聚合物多孔膜的基本原理,综述了近年来N-TIPS法制备不同聚合物多孔膜的研究进展,最后探讨了N-TIPS法面临的挑战,并对其未来应用和发展方向进行了展望。

热致相分离法制备聚偏氟乙烯膜亲水改性研究进展

采用热致相分离(TIPS)法制备的PVDF微孔膜具有高孔隙率、大通量、高机械强度等特点,已广泛应用于饮用水净化、污/废水处理等领域。但由于PVDF本身的疏水性,极易造成膜污染。频繁的化学清洗不仅会增加运行成本,也会降低膜的使用寿命。因此,对PVDF膜进行亲水化改性有十分重要的意义。全面介绍了TIPS法PVDF微孔膜亲水化改性的方法,并对其未来的发展及应用进行了展望。

热致相分离法聚偏氟乙烯膜的制备及应用

以课题组通过热致相分离法(TIPS)制备聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜及其产业化的相关工作为基础,从PVDF材料性能及其超微滤膜制备方法出发,全面回顾了课题组在TIPS法PVDF膜制备方面的研究历程,包括稀释剂和非溶剂的探索,纳米粒子、共聚物、两性离子等对PVDF膜的改性研究以及PVDF中空纤维膜组件的研制和规模化生产等等,最后还简要介绍了膜组件在不同工业领域的应用情况.