《表1 限域传质膜的渗透性及选择性》

  提示：宽带有限、当前游客访问压缩模式

本系列图表出处文件名：随高清版一同展现

《限域传质分离机制初探：界面吸附层的“二次限域”效应》

1. 获取 高清版本忘记账户？点击这里登录

1. 下载图表忘记账户？点击这里登录

基于对限域选择性机制的新认识，进一步分析了现有限域传质膜选择性分离流体混合物的数据。Wang等[25]利用聚乙烯二胺插层氧化石墨烯，精密调控氧化石墨烯膜通道尺寸（0.68～0.86 nm），并在孔道内构建亲CO2纳米域。其中0.701 nm的膜孔道，同时实现了CO2的高渗透性（175.5 GPU）和高CO2/CH4选择性（S=69.5），与纯氧化石墨烯相比其渗透性提高了2.7倍，选择性提高3.8倍。CO2、CH4分子动力学直径分别为0.33和0.38 nm。从尺寸筛分效应来看，所构筑的限域通道无法实现高选择性分离，其选择性分离的机制是因为亲CO2纳米域存在，使得CO2吸附于孔内，形成了二次限域结构，改变了限域程度，扣除CO2吸附层尺寸后，二次限域尺寸为0.371 nm，阻碍了CH4分子的通过[如图3（a）所示]。本课题组Cao等[26]前期通过分子模拟研究CO2/CH4混合体系受限在碳纳米管内的行为，发现CO2分子会优先吸附在碳纳米管内壁，进一步证实了对上述实验结果分子机制的认识。Wu等[27]构筑了稳定的MXene-Ti3C2Tx（T表示表面官能团）层状膜，并通过在表面修饰亲水性（—NH2）或疏水性（—C6H5，—C12H25）基团来实现孔道尺寸1.28～1.66 nm的调控以及改变表面润湿性。亲水性纳米孔道中，极性分子沿孔道壁形成有序排列的吸附层，进而影响限域孔道内的分子传质，其中乙腈和甲醇分别实现了3337和3018 L·m-2·h-1·bar-1（1 bar=0.1 MPa）的超快分子渗透。与表面形成无序吸附层结构的疏水性纳米孔道相比，渗透性高出三倍以上。这也进一步证明界面吸附层分子性质对流体传质的影响。Zhao等[28]为实现高效分离乙醇/水混合物，以聚乙二醇二胺（PEGDA）为插层分子，通过胺与环氧基之间的反应，与GO膜共价键合。大量的醚键增加了膜的亲水性，促进了水的吸附。在此基础上，将高亲水性海藻酸钠（SA）涂在PEGDA-GO复合膜表面，进一步增强水分子在膜表面的吸附。SA/PEGDA-GO膜在渗透通量和分离因子方面均表现出同步增强的趋势。其渗透通量可以达到3595 g·m-2·h-1，渗透水纯度为98.5%，具有优异的分离选择性。然而其孔道层间距为0.758 nm，水和乙醇分子动力学直径分别为0.265、0.45 nm。仅通过尺寸效应无法解释其高选择性。其内在分子机制是由于水分子在亲水的GO膜孔道内吸附了一层水分子，形成二次限域结构，有利于水分子快速扩散并阻碍了乙醇分子通过[如图3（b）所示]。对比类似的限域传质膜实验数据发现，同时具有高通量和高选择性的膜孔道往往大于任一组分的动力学尺寸（如表1所示），扣除吸附层分子动力学尺寸后，二次限域尺寸均小于被分离组分的动力学尺寸，进而解释其高选择性，二次限域效应可能是这些超常传质现象背后的分子机制。