昆明学院杨烨鹏/陶娆SPT：高沸点有机溶剂的高效太阳能界面蒸发技术

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第一作者：陶娆

通讯作者：杨烨鹏

通讯单位：昆明学院

成果简介

近日，昆明学院化学化工学院杨烨鹏 / 陶娆团队在 Separation and Purification Technology 上发表了题为“ Efficient solar-driven interfacial evaporation of high-boiling organic solvents over arylamine-based conjugated microporous polymer/polyimide aerogels ”的研究论文（ DOI: 10.1016/j.seppur.2025.132702 ）。研究中开发了一种基于芳香胺基共轭微孔聚合物 / 聚酰亚胺气凝胶（ PI/PBP ）的光驱动界面蒸发技术，用于高沸点有机溶剂的高效分离。研究团队通过定向冷冻技术合成了三种新型气凝胶： PI/PBP-Tr 、 PI/PBP-Te 和 PI/PBP-He 。这些气凝胶具有低热导率（分别为 0.037 、 0.035 和 0.034 W·m ^-1 ·K ^-1 ），在高沸点溶剂如 N , N - 二甲基甲酰胺（ DMF ）、 N , N - 二甲基乙酰胺（ DMAc ）、二甲基亚砜（ DMSO ）和 N - 甲基吡咯烷酮（ NMP ）中展现出卓越的光驱动界面蒸发性能。在 1 sun 光照下， PI/PBP-Tr 、 PI/PBP-Te 和 PI/PBP-He 的 DMF 蒸发率分别高达 2.47 、 2.56 和 2.65 kg·m ^-2 ·h ^-1 。气凝胶在去除染料分子（如碱性品红、罗丹明 B 和甲基橙）方面表现出超过 99% 的截留率，展现出优异的净化性能。

引言

由于具有良好的溶解性、高热稳定性和低挥发性，高沸点有机溶剂在化学合成、涂料制造和制药生产等领域具有广泛且重要的应用。然而，有机溶剂的大量排放不仅对生态环境造成威胁，还严重危害公众健康。传统处理方法依赖高能耗蒸馏，不仅成本高昂，还可能造成二次污染。因此，开发高效、低碳的高沸点有机溶剂回收技术具有重要意义。太阳能驱动界面蒸发（ SDIE ）技术作为一种利用太阳能实现局部加热和蒸发的高效策略，近年来受到了广泛关注。该技术能够在常温常压下实现溶剂的高效蒸发，在海水淡化、废水处理、医疗和水电联产等领域展现出巨大潜力。然而，目前关于利用 SDIE 技术分离和净化有机溶剂的研究相对较少。因此，本研究在前期工作（ Efficient solar-driven interfacial evaporation using conjugated microporous polymer networks synthesized from Buchwald-Hartwig coupling, DOI: 10.1016/j.surfin.2024.104390 ）的基础之上，基于定向冷冻技术制备新型气凝胶，通过太阳能局部加热气 - 液界面，在常温常压下实现高沸点有机溶剂高效蒸发，为工业废液处理提供新思路。相比传统膜分离技术，无需外部驱动力，长期运行成本更低，有望应用于精细化学品提纯、制药废液回收等领域，助力绿色化工。

图文导读

PI/PBP 气凝胶的构建及结构性质

本工作通过 Buchwald-Hartwig 偶联反应制备获得芳胺基共轭微孔聚合物功能材料，即 PBP-Tr ， PBP-Te 和 PBP-He 。随后，使用三聚氰胺作为交联剂，制备聚酰亚胺前驱体（ PI-COOH ），经过真空冷冻干燥和高温固化，成功制备出 PI/PBP 气凝胶（图 1 ）。

图 1 PI/PBP 气凝胶制备流程示意图及组成、结构表征

PI/PBP 气凝胶的光热转化性质与太阳能界面蒸发应用

PI/PBP 气凝胶在干燥和湿润状态下均展现出良好的光吸收能力。在 1 sun 光照下， PI/PBP 气凝胶的表面温度迅速升高并在 2 分钟内达到平衡。 PI/PBP-Tr 、 PI/PBP-Te 和 PI/PBP-He 的平衡温度分别为 70.8 ℃ 、 75.5 ℃ 和 76.5 ℃ ，远高于纯 PI 气凝胶的 24.3 ℃ 。在 DMF 湿润状态下，这些气凝胶的界面温度分别稳定在 56.0 ℃ 、 55.6 ℃ 和 58.1 ℃ （图 2 ）。在光驱动界面蒸发实验中， PI/PBP-Tr 、 PI/PBP-Te 和 PI/PBP-He 在 1 sun 光照下的 DMF 蒸发率分别为 2.47 、 2.56 和 2.65 kg·m ^-2 ·h ^-1 。通过 Aspen 模拟计算了有机溶剂的汽化焓，并据此计算了 PI/PBP 气凝胶的太阳能 - 蒸汽转换效率。 PI/PBP-Tr 、 PI/PBP-Te 和 PI/PBP-He 的太阳能 - 蒸汽转换效率分别为 43.63% 、 50.57% 和 49.28% ，远高于纯 PI 气凝胶的 1.72% 。此外， PI/PBP-He 气凝胶在其它高沸点有机溶剂（ DMAc 、 DMSO 和 NMP ）中也表现出良好的蒸发性能，其蒸发率分别为 1.63 、 1.02 和 0.54 kg·m ^-2 ·h ^-1 ，太阳能 - 蒸汽转换效率分别为 27.74% 、 21.20% 和 7.06% 。这些结果表明， PI/PBP 气凝胶在高沸点有机溶剂的蒸发中具有巨大的应用潜力。

图 2 PI/PBP 气凝胶的光热转化性质与太阳能界面蒸发有机溶剂应用

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本研究成功开发了一种基于芳香胺基共轭微孔聚合物 / 聚酰亚胺气凝胶的光驱动界面蒸发技术，用于高沸点有机溶剂的高效分离。这些气凝胶不仅具有优异的光热性能，还展现出良好的稳定性和净化能力。 PI/PBP-He 气凝胶在多种高沸点有机溶剂中表现出优异的蒸发性能，且在酸性环境中具有良好的稳定性。这一技术为有机溶剂的分离和回收提供了新的思路，有望在有机合成、精细化学品和生物制药等领域得到广泛应用。