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    中科院蘇州納米所在高性能聚酰胺納濾膜方向取得進展
    2020-07-18  來源:高分子科技
    關鍵詞:聚酰胺 納濾膜

      分離膜材料,特別是聚酰胺反滲透膜和納濾膜,已廣泛應用于海水淡化、地表水處理和廢水再利用,致力于應對日益嚴峻的水資源短缺問題。然而,在不降低產水品質的前提下進一步改善聚酰胺膜的產水效率,仍是一大挑戰。商品化納濾膜通常由多孔的支撐底膜和復合在其表面的分離層組成,而目前研究者主要通過降低分離層的厚度減小水的透過阻力,以及引入褶皺結構增加納濾膜的有效過濾面積,來克服納濾膜通量和選擇性之間存在的trade-off現象。但是,太薄的分離層往往會帶來缺陷和強度問題;同時,分離層褶皺結構的增加意味著其與支撐層接觸面積的下降,進一步增加褶皺可能造成分離層和支撐層的脫離。


      針對這一問題,中科院蘇州納米所靳健研究員課題組與王強斌研究員課題組合作,利用煙草花葉病毒(TMV)蛋白自組裝納米片調控界面聚合反應,成功制備了具有超高比表面積的蜂窩狀立體結構聚酰胺納濾膜(如圖1所示)。研究人員首先將具有特定孔道結構的TMV蛋白質以六方形式二維自組裝成均孔TMV納米片(如圖2a所示),然后將其抽濾沉積在混合纖維素(MCE)微濾膜的膜孔內,以此作為界面聚合的襯底。TMV納米片獨特的浸潤特性使得兩相單體的聚合反應界面位于MCE微濾膜孔內,因而得到復制了MCE微濾底膜的蜂窩狀立體結構的聚酰胺分離層(如圖2所示);同時,TMV納米片具有表面光滑和孔徑均一的特點,在界面聚合過程中能夠控制單體均勻、快速地從水相往油相擴散,促進無缺陷超薄分離層的形成。這種蜂窩狀立體結構分離層使納濾膜的有效過濾面積得到顯著增加,從而在保持高選擇性的同時大大提升了納濾膜的分離通量,打破了傳統納濾膜通量和選擇性之間的trade-off現象。這一特殊結構納濾膜在實現二價鹽高截留(MgSO4截留率98%)及超高離子篩分選擇性(Cl-/SO42-分離選擇性89)的同時,分離通量達到62 L m-2 h-1 bar-1,純水通量高達84 L m-2 h-1 bar-1(如圖3所示)。另外,對于大孔微濾底膜支撐分離層形成的納濾膜的穩定性問題,通過研究發現,沉積在MCE微濾膜孔內的TMV 納米片在界面聚合過程中與聚酰胺分離層形成了一個整體復合結構,其支撐作用使得生成的納濾膜能夠保持在長時間運行下的穩定性(如圖3所示)。


    圖1 蜂窩狀立體結構聚酰胺納濾膜制備流程


    圖2(a)TMV蛋白均孔納米片TEM照片以及其組成基元結構示意圖;(b)、(c)和(e)分別為溶去MCE微濾支撐底膜后的聚酰胺層SEM、AFM和TEM照片;(d)聚酰胺納濾膜截面TEM照片。


    圖 3 (a) 蜂窩狀立體結構聚酰胺納濾膜對不同鹽離子溶液的截留行為(1000 ppm鹽溶液);(b) TMV納米片對聚酰胺納濾膜分離行為的影響(1000 ppm Na2SO4溶液)(c)與目前其它文獻報道的納濾膜性能對比;(d) 納濾膜長時間Na2SO4料液分離性能。


      以上工作發表在《Nano Letters》雜志上(DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01350),論文第一作者為博士研究生桂亮亮和碩士研究生董津辰方望熹研究員周堃博士靳健研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到科技部重點研發計劃(2019YFC1711300, 2019YFA0705800)、國家杰出青年科學基金(51625306)、國家自然科學基金(21988102, 51873230, 21703282)和江蘇省青年科學基金(BK20180259)等項目的經費支持。


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01350

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    (責任編輯:xu)
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