基本信息
- 项目名称：
- 聚苯乙烯多级孔吸附膜
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 传统的吸附剂活性炭，具有优良的吸附性能，但也存在一些缺陷。如对大分子或疏水性染料脱色效果较差；再生困难；使用中不易与吸附体系分离。采用膜材料作为吸附材料，操作简单，易与附体系分离，但比表面积小。我们通过电纺丝技术结合相分离制备聚苯乙烯多级孔吸附膜，其优势在于：可以广泛应用于各种水溶液的吸附除杂；制备过程中在膜材料内部构筑了多级孔结构，大大增大了膜比表面积；制备过程具有易分离，易操作，高效率等特点。
- 详细介绍：
- 传统的吸附剂活性炭，具有优良的吸附性能，但是在使用过程中也存在着一些缺陷。其一，活性炭存在着微孔多、大中孔不足、亲水性强的特点，限制了大分子及疏水性染料的内扩散，通常只适用于分子量不超过400的水溶性染料分子脱色，对大分子或疏水性染料的脱色效果较差；其二，活性炭吸附水溶性染料时，吸附率高，但不能吸附悬浮固体及不溶性染料；其三，活性炭再生困难，且使用中与吸附体系的分离比较困难，会在一定程度上增加工业使用成本等。 采用膜类材料作为吸附材料，操作简单，易于同吸附体系分离。但是膜材料的比表面积远小于活性炭的比表面积，吸附效率低。为了提高其吸附效率，则需要增大膜的使用面积，从而增加了造价和加工制作难度。 鉴于上述原因，我们拟通过一种新技术——电纺丝技术，结合相分离制备聚苯乙烯多级孔吸附膜。一般的吸附膜的吸附作用主要依靠纤维本体之间的孔道，我们的作品相对于传统的吸附膜具有明显的优点，纤维内部存在有孔结构，其与纤维本体之间的孔道构成了一种多级孔的结构，从而大大增加了膜的表面积，同时制备过程比较简单易控。 该作品具有以下的优势：1、选择非水溶性聚合物聚苯乙烯作为膜材料，可以广泛应用于各种水溶液的吸附除杂；2、制备过程中在膜材料内部构筑了多级孔结构，大大增大了膜的比表面积；3、制备过程具有易分离，易操作，高效率等特点。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 传统的吸附剂活性炭，具有优良的吸附性能，但是也存在着一些缺陷。比如活性炭对大分子或疏水性染料的脱色效果较差；不能吸附悬浮固体及不溶性染料；活性炭再生困难，且使用中与吸附体系的分离比较困难，在一定程度上增加工业使用成本等。采用膜类材料作为吸附材料，操作简单，易于同吸附体系分离。但是膜材料的比表面积远小于活性炭的比表面积，吸附效率低。 鉴于上述原因，我们拟通过电纺丝技术结合相分离制备聚苯乙烯多级孔吸附膜。 静电纺丝技术是制备连续的、具有宏观长度的微纳米纤维/膜的一种方法。这一技术的核心，是使带电的高分子溶液或熔体在静电场中流动与细化。然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，得到纤维状物质。整个过程通过控制纺丝液体的性质（黏度、表面张力和电导率等）及操作条件（电压、流体输率、毛细孔与收集板间的距离等）来制备微纳米纤维。从纺丝管中流出的纺丝液射流，在静电力作用下加速运动并劈裂而形成细流簇。经溶剂挥发或冷却后将凝结或固化为超细纤维，并以无纺布膜的形式沉积在收集板上。 我们将静电纺丝获得的纤维与相分离技术相结合制备出具有多级孔结构的聚苯乙烯吸附膜。多级孔材料所具有的多级孔结构主要包括纤维间与纤维本体两个层次的多孔结构。纤维本体的孔结构同时具有增大纤维外比表面积和择形的作用，而纤维间的孔结构则利于传质，且多级孔间具有协同效应，因此可用于吸附、过滤、超滤等领域。同传统的活性炭、膜等吸附材料相比，该作品具有制备操作简单，吸附效率高，易于从溶液中分离等特点，有望在水处理、净化等方面发挥重要的作用。
科学性、先进性
- 传统的吸附剂活性炭是有极丰富孔隙构造和大的内比表面积的材料。活性炭分为粒状和粉末,粉状活性炭比表面积较粒状活性炭大得多, 但在应用中也存在弊端：粉末活性炭过细,容易造成粉尘污染；粉末活性炭比表面积过大、密度小、分子间吸附力大,易形成活性炭“团聚”现象,在液体表面形成覆盖层，温度高时，易爆沸；活性炭在和液体接触过程中,常常会大量漂浮在液体表面,从而影响了脱色的速度。 采用膜类材料作为吸附材料，操作简单，易于同吸附体系分离，可以解决粉末活性炭在使用中存在的部分问题。但膜材料的比表面积远小于活性炭的比表面积，导致其吸附效率较低。为了提高其吸附效率，需要增大膜的比表面积，从而增加工艺造价。 鉴于上述原因，我们拟通过一种新技术——电纺丝技术，结合相分离制备聚苯乙烯多级孔吸附膜。一般的吸附膜的吸附作用主要依靠纤维本体之间的孔道，我们的作品相对于传统的吸附膜具有明显的优点，纤维内部存在有孔结构，其与纤维本体之间的孔道构成了一种多级孔的结构，从而大大增加了膜的表面积，同时制备过程比较简单易控。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 作品现处于实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 作品可以实物、产品的形式进行展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品可直接代替普通的吸附膜，其技术创新，且该作品具有以下的优势：1、选择非水溶性聚合物聚苯乙烯作为膜材料，可以广泛应用于各种水溶液的吸附除杂；2、制备过程中在膜材料内部构筑了多级孔结构，大大增大了膜的比表面积；3、制备过程具有易分离，易操作，高效率等特点。 纤维本体的孔结构同时具有增大纤维外比表面积和择形的作用，而纤维间的孔结构则利于传质，且多级孔间具有协同效应，因此可用于吸附、过滤、超滤等领域。同传统的活性炭、膜等吸附材料相比，该作品具有制备操作简单，吸附效率高，易于从溶液中分离等特点，有望在水处理、净化等方面发挥重要的作用。 市场应用前景广阔，经济效益可观
同类课题研究水平概述
- 多级孔材料作为吸附材料一直是研究的热点，但是该类材料的研制多数集中在分子筛等粉状材料中。如杨建华，于素霞等在无第二模板剂的条件下, 采用简单的水热晶化法, 通过控制条件合成出具有多级结构的ZSM-5(ZSM-5-HW)分子筛, 具有较高的催化活性和稳定性；陈然，巩雁军等以非离子表面活性剂壬基酚聚氧乙烯醚为模板,设计氟化铵作为矿化剂,在近中性条件下直接合成了具有微孔鄄介孔复合孔道的铵型茁沸石，该沸石具有发达的呈梯级分布的多级孔结构, 孔容高达0.67 cm3•g-1；王文，刘文勇等以乙基氰乙基纤维素液晶溶液为模板，掺入可光聚合含硅有机前体甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPTMOS），并光聚合MPTMOS 制备纤维素有机/无机胆甾液晶复合膜，然后通过碳化，烧结处理得到块体微米纳米多级纤维网络介孔SiO2材料；马金艳 曲凤玉等筛选出两种孔径较大且孔结构规则的植物为大孔模板,以嵌段共聚物为介孔相模板成功合成了两种具有连续的骨架和贯通的大孔孔道(大孔孔径大于40μm,其孔壁为介孔相)的高度有序多级复合孔材料.合成的产物是孔道相互贯通的多级有序复合孔硅材料,具有较好的水热稳定性.采用此合成方法可精确地复制大孔植物模板；赵东元，孙锦玉等应用水热合成的微孔分子筛纳米晶为多级结构的构筑单元，在大孔模板剂的引导下低温成型，经高温脱模，制备得高有序高的大孔－微孔多级有序孔材料。本发明制得的致密多孔膜和多级孔材料在吸附、分离、传感器等方面有较为广泛应用。 这些方法制备的多级孔材料多为硅基的粉状材料，作为分离材料使用的话具有难以与体系分离的缺点。电纺丝法制备的分离膜可以实现与体系快速分离的目的。王女，张京楠等人报道了采用共轴电纺的方法，通过调控内流体溶液的浓度和流速，制备了具有不同内部结构的TiO2微纳米纤维。制备具有多级结构的中空纤维，在制造超轻薄、超保暖织物、超快吸湿、快干纤维、高效过滤网膜和催化剂等方面具有广泛的应用前景．但是TiO2微纳米纤维膜的机械强度较差，使用中容易出现断裂等问题。因此运用聚合物材料——聚苯乙烯作为原料，制备多级孔吸附膜，具有一定的创新性，可以解决传统硅基介孔材料及无机纳米纤维膜的缺点，具有一定的市场应用。
