微波能强化膜材料制备与膜分离过程

摘要

微波能在化工领域的创新应用是化工电气化研究的热点趋势之一，涉及加热、工业废水处理、矿物除杂、有机催化、材料合成及医药灭菌等多个方向。微波作为一种外场强化手段应用于膜分离技术，不仅可以缩短膜材料制备时间，降低生产成本，还能提高渗透通量，强化膜过程的分离性能。本文通过总结微波在制备分子筛膜（MOF、MFI型、NaA型等）、聚合物膜、混合基质膜等膜材料的典型应用优势，发现微波的引入可以使制备出的膜材料通量及选择性更高，这是因为分子筛膜的晶体大小更加均匀，晶体取向更加一致，膜层可以更薄、缺陷减少；使聚合膜的聚合率增大，表面更加光滑，内部结构更加规则；使混合基质膜的机械性能更好。阐述了微波技术在不同类别的膜材料制备应用中的强化机理，其中：在分子筛等无机膜制备中，微波可以降低有效活化能，调控晶体粒径，诱导晶体取向；在聚合物膜的制备过程中，微波可以改变膜结构，改变传热方向，增加聚合接枝率，降低反应活化能。归纳了微波提升膜材料在气体和液体分离方面性能的研究，考虑到该领域基础研究较少，根据微波的独特加热优势，提出选择性汽化、诱导氢键减弱、局部过热、诱导生成纳米气泡及分子扰动5个可能的微波强化膜分离机理，利用微波加热在膜分离中的补偿温度极化、减少膜污染、降低浓度极化，有望实现膜选择性和渗透通量的同步提升。

关键词

微波 / 膜分离 / 膜制备 / 外场强化

基金资助

中国博士后科学基金特别资助（2022TQ0232）;中国博士后科学基金面上资助（2022M722365）; 国家自然科学基金面上项目（21878219）