Adv. Funct. Mater.：基于特殊可浸潤聚四氟乙烯膜實現化學反應體系的原位分離

【引言】

油水分離在石油泄露事故處理、污水處理、化工生產等許多領域都有巨大應用潛力，已然成為了一個世界性的研究課題。然而傳統的分離方法如重力沉降、氣浮、混凝、電場或生物處理等一般具有效率低、能耗高、操作繁瑣的缺點。因此，近年來，人們對具有特殊潤濕性（疏水性/親油性或親水性/疏油性）的先進功能膜研究日漸增多，該方向的研究得到了廣泛的發展。目前，人們利用不同方法已經制備出了不同的膜，不僅能夠有效地分離油水混合物和油水乳液，甚至可以分離出微米級的水下油滴。

將不混溶體系從化學反應體系中分離出來是化工生產中重要的油-水分離過程，其中合成反應和產物分離兩個過程一般都是獨立的，并且往往具有較長的時間成本。將特殊的可浸潤薄膜與反應器結合在一起，有望通過連續的原位分離過程改善這種情況。然而，迄今為止，有關化學反應體系的研究一直鮮有報道，這主要是因為膜在惡劣環境中的耐久性目前仍是一個巨大挑戰。聚四氟乙烯（PTFE）由于具有優異的化學惰性、耐溶劑性、熱穩定性和低附著性被認為是合適的材料。人們已經嘗試用噴霧干燥法、紡絲、RF磁控濺射、溶膠-凝膠、膠體沉積、化學氣相沉積等方法用PTFE構建特殊的可浸潤表面。

【成果簡介】

近日，中國科學院化學研究所江雷院士、田野副研究員（共同通訊作者）等人在Advanced Functional Materials期刊上發表了題為“In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane”的文章。文中，研究人員通過使用具有特殊潤濕性的無涂層PTFE微孔膜提供具有大分離通量和高產品純度的化學反應體系的連續原位分離，這種膜在空氣中具有高疏水性/親油性、在水下具有超高親水性，且在惡劣環境也具有良好耐久性，首次成功實現了產物邊合成邊分離的過程。

【圖文導讀】

圖1：通過激光切除技術制備得到的孔徑可控的PTFE微孔膜。

a）激光系統基本工作原理的示意圖；

b）通過使用不同激光能量制備孔徑遞減的不同薄膜（M-1，M-2，M-3和M-4）；

c）激光制備薄膜的等效直徑和鉆孔比的統計結果；

d）未處理的PTFE薄膜和激光制造薄膜（M-1）的對比。

圖2：激光制備的PTFE微孔膜的表面形貌（SEM圖像）。

a）未處理的聚四氟乙烯薄膜的表面和斷面照片；

b）激光制造的PTFE薄膜（M-1）典型的規則微孔陣列特征；

c）膜兩面表現出不對稱的表面粗糙度：面向激光的一側（H側）具有較高的粗糙度，背對激光一側（S側）粗糙度較低。

圖3：該研究方法制備的PTFE膜的特殊浸潤性。

a）從接觸角測試結果看，未處理的PTFE薄膜在空氣中表現出疏水/親油性，在水下表現出親油性；

b）激光制造薄膜的接觸角測試結果表明薄膜疏水性得到提升，插入曲線則反映了薄膜兩側接觸角的誤差：H側接觸角波動較大，而S側潤濕性變化較小；

c）以M-1為例、S側向上研究水下滲油行為，研究結果表明所制備薄膜具有較強滲油性能。

圖4：本方法制備的功能膜對化學反應系統的原位分離行為。

a）所選反應的基本信息（包括化學方程和對不混溶液相的描述）；

b）接觸角測試結果顯示未處理的PTFE薄膜對化學反應體系（包括水相反應物和油相產物）具有特殊的浸潤性；

c）原位分離過程；

d）在分離器中組裝薄膜的方法示意圖。

圖5：所選化學反應體系的分離性能。

a）不同膜的分離通量和效率的圖，插入的圖像為分離良好的殘留反應物（左，無色）和目標產物（右，橙色）；

b）用GC對通過M-2、M-3、M-4薄膜的分離良好的產物進行純度測試；

c）薄膜在惡劣環境下長期工作后接觸角的化學循環穩定性測試結果（以M-1為例）。

【小結】

在本工作中，研究人員提出通過使用直接激光切除方法來制備具有規則多微孔陣列的特殊可浸潤性PTFE膜。通過調整激光功率可以構建一系列孔徑不同的薄膜。這樣制備出來的薄膜即使在惡劣的環境下長時間工作，依然持續地能在空氣中保持高疏水性/親油性、在水下保持超高親水性。這是世界上首次采用功能性薄膜通過連續原位分離的方法實現對化學反應體系的分離，且分離效果較好，具有較大的分離通量和較高的產物純度。工業上，原位合成反應與產品純化一般需要兩個獨立的步驟，而且往往需要耗費較大的時間成本，將這兩個步驟結合起來對于工業生產具有十分重要的意義。除了用于處理各種化學反應體系之外，這種方法制備的薄膜還有望用于優化其他應用中的多種操作，如復雜萃取、生物凈化和濕法冶金浸出等。

文獻鏈接：In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane?（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703970）

本文由材料人編輯部高分子材料組arrinal_Ding供稿，材料牛編輯整理。

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