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北京化工大学秦培勇、司志豪&北化院张新妙GEE｜苯酚分离用疏水性渗透汽化膜

已有 67 次阅读 2025-5-20 11:04 |系统分类:论文交流

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背景介绍

含酚废水由于难以降解且有较强的毒害作用等特性，被视为较难处理的工业有机废水之一，且多种酚类已被写入“国家重点污染物名单”。其中，苯酚作为最常见的酚类污染物之一，随着工业废水进入到环境当中，危害人体健康，破坏水体生态环境，影响水生生物以及农作物的生长。此外，苯酚作为一种重要的平台化合物，已成功应用于制造酚醛树脂、已内酰胺、双酚A、已二酸、苯胺、烷基酚等数种化学品；同时，也是水杨酸、阿司匹林及磺胺药等很多医药合成的原料。因此，高效回收苯酚是实现其高值化利用的关键。结合团队前期针对疏水性渗透汽化膜的研究基础（Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202420130；Mater. Horiz. 2024, 11, 4681-4688；J. Mater. Chem. A 2022, 10, 17699-17709；Green Chem. 2021, 23, 7053-7064），本文综述了近年来疏水性渗透汽化膜在苯酚回收方面的研究，从膜材料类型、关键结构设计与应用瓶颈等角度详细阐述了膜制备与膜应用的进展，展望了有关膜材料的发展机遇与挑战。

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图1. 苯酚的高附加值衍生物。

图文解读

1. 渗透汽化技术优势

膜性能取决于有机物在膜中的溶解性和扩散性，因此与蒸馏过程相比，在无需蒸发水溶液中大量水的情况下即可移除水溶液中少量的挥发性有机物，从而可显著降低分离过程的能耗。
不需要向分离体系中引入溶剂或其他化学品，符合绿色可持续发展的理念。
过程通常在温和的条件下进行，操作温度低、过程简单，因此易于同其他过程耦合以实现目标有机物的原位分离。

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图2.（a）分离技术的比较；（b）2013-2023年Scopus数据库中苯酚渗透汽化分离的文献数。

2. 高分子膜

传质结构设计：PDMS链紧密堆砌，导致自由体积较小或者传质通道尺寸偏窄，而芳香族化合物分子动力学尺寸较大，无法在有限的传质空间内快速渗透。为解决上述问题，经典的做法是引入刚性侧基作为分子间隔物，如苯环等，重构高分子链间距离与堆砌行为，减轻大尺寸芳族分子的空间位阻，为增加渗透尺寸提供额外的自由度。
界面强度调控：薄膜复合结构作为高分子膜最常见的结构形式之一，在长期操作过程中，选择层和支撑层易出现剥离等问题，损失膜性能、缩短寿命和增加膜成本。为解决上述问题，通过在PDMS选择层和支撑层之间引入化学共价作用，开发超界面黏附力的层间结构，提升选择层的耐受性与抗溶胀性，以强化其有机物回收的应用价值。
结晶度调控：PEBA膜在长期运行中常因结晶度分布不均导致链段迁移受阻，引发渗透通量衰减与选择性下降。为解决上述问题，通过精准调控溶剂蒸发速率与成膜温度，优化聚合物链排列的有序性，形成均质致密结构，显著提升膜的抗溶胀性与长期运行稳定性，为芳香族有机物的高效回收提供可靠技术路径。

3. 无机膜

多孔支撑体设计：现有无机膜由于支撑体孔隙率低或孔道连通性差，导致渗透通量受限及传质阻力增大。为解决上述问题，通过梯度孔结构设计（如逐层组装生长技术），在宏观-介观-微观尺度上构建三维贯通孔道，提升有机物渗透通量。
孔径均一性调控：传统烧结工艺易导致无机膜孔径分布宽，降低分离选择性。为解决上述问题，通过采用模板辅助烧结技术，精确调控沸石晶粒尺寸与堆积密度，降低平均孔径偏差，实现孔径均一性，为高精度芳香有机物分子筛分提供技术支撑。

4. 混合基质膜

填料分散优化：纳米填料易因与聚合物基体相容性差而发生团聚，形成界面缺陷并降低传质效率。为解决这一问题，采用表面改性技术（如化学偶联剂修饰），在填料表面引入与聚合物亲和性强的官能团，显著增强填料-基体界面相互作用，使填料分散均匀性大幅提升，界面缺陷减少，从而保障膜结构的完整性和长期稳定性。
传质路径构筑：填料的随机分布易导致传质路径迂回曲折，限制渗透通量。通过外场诱导（如电场、磁场）或模板导向技术，使二维片状填料定向排列，构建贯通型传质通道，有效缩短分子扩散路径，显著提升通量，同时维持高选择性，突破传统膜材料的性能瓶颈。
分子渗透控制：选用疏水性纳米填料，匹配其孔道尺寸与目标分子动力学直径，实现优先吸附并高效传输，同时抑制水分子渗透，从而在不牺牲通量的前提下显著提升分离因子，强化其芳香化合物回收的应用价值。

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图3. 用于苯酚回收的渗透汽化膜类型。

总结与展望

苯酚在化工、医药及材料领域具有重要的应用价值，但是毒性与生物难降解性严重威胁水体生态和人体健康。渗透汽化膜分离技术高效分离回收苯酚，可实现资源循环利用、推动绿色化工发展。高分子膜在选择层传质通道构筑和选择层-基膜界面作用取得突破性进展，借助无机填料突破通量-选择性权衡瓶颈；无机膜的梯度孔道尺寸设计也取得较高的性能。然而，极端条件下高分子膜材料仍面临溶胀的关键问题，限制膜材料长期使用；无机膜自身成本与填料界面缺陷等依然是个挑战。在解决上述问题的同时，构建多级耦合体系以推动材料-工艺协同发展，为含酚废水治理与资源化提供高效、可持续的解决方案。

原文信息

相关成果以“Recent progress in hydrophobic pervaporation membranes for phenol recovery”为题在Green Energy & Environment期刊在线发表，论文共同通讯作者为北京化工大学秦培勇教授、司志豪副教授和北京化工研究院张新妙教授。