多孔材料在分離領域具有廣泛的應用，通量和截留率是評價其分離性能的兩個重要參數。一般來說，增大孔徑可以提高分離通量，同時導致截留率的降低；相反，更小的孔徑對應高截留率和低通量。這就是膜分離領域眾所周知的“Trade-off”效應。為克服上述效應，杭州師范大學由吉春教授聯合中科院長春應化所丁明明副研究員，提出了新的解決方案，即構建孤立微米圓形孔與連續狹長納米孔相結合的多級孔結構。
圖1單級孔薄膜與“海島”多級孔薄膜內的傳質情況模擬
一方面，有限元模擬結果顯示，流體在單級孔薄膜（圖1 A-B）與多級孔薄膜（圖1 C-D）中傳質情況具有明顯差異，孤立圓孔的存在可以顯著縮短傳質路徑，降低傳質勢壘，使孤立圓孔之間的流速明顯加快。與單級孔薄膜相比，多級孔薄膜的通量可以獲得近兩倍的提高。另一方面，基于課題組前期發展的“基于結晶排出模板制備多孔材料策略”（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 12, 6946; Polymer 2018, 142, 48等），研究者采用PVDF/PMMA/PLLA三元共混體系，利用PVDF/PMMA與PLLA之間的相分離構建前者為海相，后者為島相的“海島”結構，并在PVDF/PMMA海相中，通過PVDF結晶過程中將PMMA排出的效應，獲得二者的納米級雙連續結構，最后，通過選擇性溶劑（氯仿）刻蝕，同時去除PLLA及PMMA，成功制備了孤立圓形微米孔和連續狹長納米孔相結合的多級孔薄膜（圖2）。
圖2 多級孔制備策略（A）與所得結構SEM圖
通過該策略備的多級孔薄膜具有良好的力學性能，強度可達6MPa（圖3 A），相比于單級孔薄膜，其通量可由101.9 L m-2h-1提升至213.7 L m-2h-1，與模擬結果吻合。同時，該薄膜可以保持較高的截留效率（圖3B）；壓汞結果顯示多級孔薄膜對應更低的壓入壓強，表明孤立圓孔具有降低傳質勢壘的作用（圖3 C）；
圖3 單級孔薄膜與“海島”多級孔薄膜的力學性能（A）、分離性能（B-C）
圖4 “海島”多級孔薄膜分離性能提升機理示意圖
如圖4所示，由于微米級圓形孔呈孤立狀態，僅在縮短傳質路徑，降低傳質勢壘中發揮作用，薄膜的截留率仍由連續的納米狹長孔提供，因此該多級孔薄膜能夠在保持高截留效率的同時，大幅提升通量。
以上研究成果近期以“Hierarchically porous membranes with isolated-round-pores connected by narrow-nanopores: A novel solution for trade-off effect in separation”為題發表于Journal of Membrane Science (2020,604, 118040)。該工作的第一作者為杭州師范大學碩士生王佳耀，通訊作者為杭州師范大學由吉春教授，有限元模擬由中科院長春應化所丁明明副研究員合作完成，該工作獲得了國家自然科學基金(51973048)的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118040
