天津大学吴洪、姜忠义教授团队成功制备超薄聚酰胺纳滤膜
来源：中国聚合物网
随着全球淡水资源供求矛盾日益加剧，脱盐纳滤膜在污水处理、硬水软化和苦咸水淡化等领域得到广泛应用。界面聚合是工业上制备纳滤膜的有效方法，通常以超滤或微滤膜为基底，利用水相胺单体和油相酰氯单体在油－水界面处发生聚合反应，制备得到复合聚酰胺（polyamide，pa）纳滤膜。传统界面聚合法形成的聚酰胺皮层厚度多为几十到上百纳米，制约了纳滤膜的渗透通量。根据freger等建立的聚酰胺层生长动力学模型，提高胺单体初始浓度可有效降低膜厚度，然而，传统高分子超滤/微滤基膜的孔密度较低、亲水性欠佳，吸附和储存胺单体能力有限。
针对上述问题，天津大学吴洪教授、姜忠义教授团队采用共价有机框架介导界面聚合的策略，利用二维固有孔材料在基底上首先构筑高孔隙率超亲水层，再进行界面聚合，成功制备出超薄聚酰胺纳滤膜。合成了具有高比表面积且富含亲水基团（胺基、酮基）的tppa-1型共价有机框架纳米片（covalent organic framework nanosheets，cons）作为构筑单元，在基底上组装一层cons复合基膜（cons-loading layer composite substrate，cls）。在界面聚合过程中，cls层可高效储存胺单体，并优化单体分布与扩散，与tmc聚合后可得到超薄聚酰胺脱盐膜。
首先采用真空辅助自组装将cons沉积在商售聚醚砜微滤膜表面制得cls。通过改变cons的沉积量可调控cls中胺单体负载量，进而优化界面聚合反应中胺单体的初始浓度。结果表明，提高cls中胺单体负载量可促进界面聚合反应的自抑制过程，聚酰胺层厚度可从70nm减薄至10nm以下。
| 图1．(a) 共价有机框架介导的超薄脱盐膜制备过程；(b) pes基膜的表面形貌与表面亲水性；(c) cls复合基膜的表面形貌、表面亲水性与断面形貌；(d) cons沉积量对cls复合基膜水吸附能力与胺单体储存能力的影响；(e) cons沉积量对复合聚酰胺膜结构的影响。 |
制得的超薄纳滤膜水渗透速率可达535.5l m-2 h-1 mpa-1，同时可保持良好的二价盐截留率（na2so4, 94.3%），是文献报道纳滤膜水渗透速率的2～8倍。此外，制得的超薄纳滤膜在不同盐浓度、不同操作压力下均表现出良好的脱盐性能和长期运行稳定性。
| 图2．(a) pa/cls膜的分离性能；(b) 纳滤性能对比图；(c) pa/cls膜对不同盐溶液的分离性能；(d) pa/cls膜对不同浓度na2so4的分离性能；(e) pa/cls膜的耐压性与(f)长期运行稳定性。 |
该研究成果近日发表在journal of materials chemistry a上（j. mater. chem. a, 2019,7, 25641-25649）并入选该期刊2019年度热点论文（hot paper）。论文第一作者为天津大学化工学院博士生袁锦秋。通讯作者为天津大学吴洪教授和姜忠义教授。