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Reversible crosslinking of polybenzimidazole-based organic solvent nanofiltration membranes using difunctional organic acids: Toward sustainable crosslinking approaches

纳滤 角鲨酸 溶剂 草酸 化学 热稳定性 高分子化学 聚合物 聚酰胺 有机化学 化学稳定性 共价键 化学工程 材料科学 工程类 生物化学
作者
Jiahui Hu,Rifan Hardian,Martin Gede,Tibor Höltzl,György Székely
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:648: 120383-120383 被引量:53
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.120383
摘要

Solvent resistance is a crucial property for achieving organic solvent nanofiltration (OSN) membranes with good separation performance and long lifespan. Polybenzimidazole (PBI) has been widely used for OSN membrane fabrication owing to its excellent mechanical properties, thermal stability, and resistance in various organic solvents. However, pristine PBI membranes show unsatisfactory stability in polar aprotic solvents. To circumvent this issue, extensive research has been conducted on the covalent crosslinking of PBI membranes. Herein, to develop a more sustainable crosslinking strategy, difunctional organic acids — oxalic and squaric acids — were used for the reversible crosslinking of PBI membranes in water at room temperature, affording robust membranes with long-term stability in polar aprotic solvents. An analysis at the molecular level of the difunctional acid crosslinking system based on p K a values and binding energies was presented. The molecular weight cutoff and solvent flux of the PBI membranes crosslinked with oxalic and squaric acids were 779 and 844 g mol −1 and 153.9 and 139.7 L m −2 h −1 bar −1 in N , N -dimethylacetamide at 30 bar, respectively. The crosslinking was successfully reversed under basic conditions, allowing the recovery of the pristine PBI polymer. A sustainability assessment revealed the advantages of the proposed crosslinking system over conventional covalent crosslinking approaches. The solvent-resistant properties of polybenzimidazole membranes are enhanced using a crosslinking approach by employing oxalic and squaric acids as mild organic acid crosslinkers in water under ambient conditions. • OSN membranes formed via mild organic acid crosslinking at ambient conditions in aqueous solutions. • Difunctional organic acids with p K a lower than 5.23 can crosslink polybenzimidazole (PBI) membrane. • Improved membrane stability in NMP, DMSO, DMAc, DMF polar aprotic solvents up to two weeks. • Less hazardous and more sustainable crosslinking approach for OSN membrane fabrication. • Membranes crosslinked with oxalic and squaric acids were recovered as pristine PBI.
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