Adv. Funct. Mater.：基于特殊可浸润聚四氟乙烯膜实现化学反应体系的原位分离

【引言】

油水分离在石油泄露事故处理、污水处理、化工生产等许多领域都有巨大应用潜力，已然成为了一个世界性的研究课题。然而传统的分离方法如重力沉降、气浮、混凝、电场或生物处理等一般具有效率低、能耗高、操作繁琐的缺点。因此，近年来，人们对具有特殊润湿性（疏水性/亲油性或亲水性/疏油性）的先进功能膜研究日渐增多，该方向的研究得到了广泛的发展。目前，人们利用不同方法已经制备出了不同的膜，不仅能够有效地分离油水混合物和油水乳液，甚至可以分离出微米级的水下油滴。

将不混溶体系从化学反应体系中分离出来是化工生产中重要的油-水分离过程，其中合成反应和产物分离两个过程一般都是独立的，并且往往具有较长的时间成本。将特殊的可浸润薄膜与反应器结合在一起，有望通过连续的原位分离过程改善这种情况。然而，迄今为止，有关化学反应体系的研究一直鲜有报道，这主要是因为膜在恶劣环境中的耐久性目前仍是一个巨大挑战。聚四氟乙烯（PTFE）由于具有优异的化学惰性、耐溶剂性、热稳定性和低附着性被认为是合适的材料。人们已经尝试用喷雾干燥法、纺丝、RF磁控溅射、溶胶-凝胶、胶体沉积、化学气相沉积等方法用PTFE构建特殊的可浸润表面。

【成果简介】

近日，中国科学院化学研究所江雷院士、田野副研究员（共同通讯作者）等人在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane”的文章。文中，研究人员通过使用具有特殊润湿性的无涂层PTFE微孔膜提供具有大分离通量和高产品纯度的化学反应体系的连续原位分离，这种膜在空气中具有高疏水性/亲油性、在水下具有超高亲水性，且在恶劣环境也具有良好耐久性，首次成功实现了产物边合成边分离的过程。

【图文导读】

图1：通过激光切除技术制备得到的孔径可控的PTFE微孔膜。

a）激光系统基本工作原理的示意图；

b）通过使用不同激光能量制备孔径递减的不同薄膜（M-1，M-2，M-3和M-4）；

c）激光制备薄膜的等效直径和钻孔比的统计结果；

d）未处理的PTFE薄膜和激光制造薄膜（M-1）的对比。

图2：激光制备的PTFE微孔膜的表面形貌（SEM图像）。

a）未处理的聚四氟乙烯薄膜的表面和断面照片；

b）激光制造的PTFE薄膜（M-1）典型的规则微孔阵列特征；

c）膜两面表现出不对称的表面粗糙度：面向激光的一侧（H侧）具有较高的粗糙度，背对激光一侧（S侧）粗糙度较低。

图3：该研究方法制备的PTFE膜的特殊浸润性。

a）从接触角测试结果看，未处理的PTFE薄膜在空气中表现出疏水/亲油性，在水下表现出亲油性；

b）激光制造薄膜的接触角测试结果表明薄膜疏水性得到提升，插入曲线则反映了薄膜两侧接触角的误差：H侧接触角波动较大，而S侧润湿性变化较小；

c）以M-1为例、S侧向上研究水下渗油行为，研究结果表明所制备薄膜具有较强渗油性能。

图4：本方法制备的功能膜对化学反应系统的原位分离行为。

a）所选反应的基本信息（包括化学方程和对不混溶液相的描述）；

b）接触角测试结果显示未处理的PTFE薄膜对化学反应体系（包括水相反应物和油相产物）具有特殊的浸润性；

c）原位分离过程；

d）在分离器中组装薄膜的方法示意图。

图5：所选化学反应体系的分离性能。

a）不同膜的分离通量和效率的图，插入的图像为分离良好的残留反应物（左，无色）和目标产物（右，橙色）；

b）用GC对通过M-2、M-3、M-4薄膜的分离良好的产物进行纯度测试；

c）薄膜在恶劣环境下长期工作后接触角的化学循环稳定性测试结果（以M-1为例）。

【小结】

在本工作中，研究人员提出通过使用直接激光切除方法来制备具有规则多微孔阵列的特殊可浸润性PTFE膜。通过调整激光功率可以构建一系列孔径不同的薄膜。这样制备出来的薄膜即使在恶劣的环境下长时间工作，依然持续地能在空气中保持高疏水性/亲油性、在水下保持超高亲水性。这是世界上首次采用功能性薄膜通过连续原位分离的方法实现对化学反应体系的分离，且分离效果较好，具有较大的分离通量和较高的产物纯度。工业上，原位合成反应与产品纯化一般需要两个独立的步骤，而且往往需要耗费较大的时间成本，将这两个步骤结合起来对于工业生产具有十分重要的意义。除了用于处理各种化学反应体系之外，这种方法制备的薄膜还有望用于优化其他应用中的多种操作，如复杂萃取、生物净化和湿法冶金浸出等。

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

本文由材料人编辑部高分子材料组arrinal_Ding供稿，材料牛编辑整理。

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