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Gas separation and water desalination performance of defect-free interfacially polymerized para-linked polyamide thin-film composite membranes

薄膜复合膜 聚酰胺 气体分离 反渗透 界面聚合 化学工程 材料科学 高分子化学 芳纶 海水淡化 聚合物 核化学 化学 复合材料 纤维 单体 工程类 生物化学
作者
Zain Ali,Yingge Wang,Wojciech Ogieglo,Federico Pacheco,Hakkim Vovusha,Yu Han,Ingo Pinnau
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:618: 118572-118572 被引量:58
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2020.118572
摘要

The introduction of interfacially polymerized (IP) polyamide thin-film composite (TFC) membranes in the 1980s revolutionized the reverse osmosis desalination industry. However, IP-derived TFCs have not achieved industrial success for gas separation applications due to the presence of membrane defects in their dry state. In this work, we report defect-free crosslinked polyamide thin-film composite membranes prepared from para-substituted aromatic and cycloaliphatic diamines, p-phenylenediamine (PPD) and piperazine (PIP), reacted with trimesoyl chloride (TMC). The key parameters in our modified IP process to mitigate defects are long reaction time (~5 min) and high organic solution temperature (100 °C). The gas separation and desalination properties of the para-linked polyamide membranes were compared to previously reported polyamide TFCs made from meta-phenylenediamine (MPD) and TMC. The gas- and water permeances of the TFCs increased in the order: MPD-TMC < PPD-TMC < PIP-TMC, whereas gas-pair selectivities and salt rejections followed the opposite sequential trend: MPD-TMC > PPD-TMC ≥ PIP-TMC. Elimination of defects allowed exploitation of the ultra-selective nature of polyamide TFCs, specifically for hydrogen and helium separations. At 23 °C, PIP-TMC, PPD-TMC and MPD-TMC exhibited H2/CH4 selectivities of 312, 362 and 1290, respectively, with moderate H2 permeances of 37.4, 32.6 and 25.8 GPU (1 GPU = 10−6 cm3(STP) cm−2 s−1 cmHg−1). Furthermore, the TFCs demonstrated excellent performance for H2/CO2 separation with pure-gas selectivities of 10–14 at 23 °C. The strong size-sieving capability of the polyamide TFCs originated from tight interchain packing induced by strong hydrogen bonding. Wide-angle X-ray diffraction confirmed a dominant fraction of submicropores of less than ~4 Å within PPD-TMC and PIP-TMC polyamide networks.
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