本课题组在高性能纳滤膜方向取得研究进展
发布时间：2018/5/29 浏览次数：6324
纳滤是上世纪20世纪80年代后期发展起来的一种介于超滤和反渗透之间的新型膜分离技术，其截留分子量在200-2000之间。根据纳滤膜表面的电荷以及截留尺寸，纳滤膜能够有效地截留二价及高价离子、染料、有机小分子、抗生素、二糖及多糖类化合物等，因而广泛的应用于食品、化工、医药、环保以及冶金等行业。目前，由界面聚合法制备得到的复合纳滤膜是商品化纳滤膜的主要形式，这种膜由多孔的的支撑底膜和复合在支撑膜表面起分离作用的分离层组成，分离层的性质对整个纳滤膜的分离性能起到了决定性的作用，分离层厚度越薄，纳滤膜的分离通量越高。目前，商品化纳滤膜的支撑膜多为高分子超滤膜。超滤膜的表面孔隙率相对较低，导致界面聚合过程中水相单体扩散可能不均匀，难以实现超薄无缺陷分离层的构筑。针对这一挑战，中科院苏州纳米所靳健研究员课题组发展了一种利用单壁碳纳米管超薄膜替代传统的超滤膜作为支撑膜，成功实现了厚度仅为12 nm的超薄无缺陷分离层纳滤膜，该纳滤膜对二价离子的截留率达95%以上，分离通量高达32 Lm-2h-1bar-1，为同期最高值（Small, 2016, 12, 5034-5041）。
近期，在上一工作的基础上，为了进一步提升纳滤膜的分离通量，靳健研究员课题组与美国范德堡大学林士弘课题组合作，设计和制备了一种利用纳米粒子作为牺牲模板诱导构建的具有大量褶皱结构的超薄分离层纳滤膜（如图1所示）。在这一工作中，研究人员首先将纳米颗粒（以ZIF-8为例）沉积在单壁碳纳米管膜表面，以此单壁碳纳米管/纳米粒子复合膜作为支撑衬底，在界面聚合过程中，超薄聚酰胺分离层沿着纳米颗粒的外轮廓生成。界面聚合之后，在后处理的过程中，负载于单壁碳纳米管膜表面的ZIF-8纳米颗粒在水的作用下逐渐消融，进而留下大量的褶皱结构（如图2所示）。这些褶皱结构有效地提升了超薄分离层的有效过滤面积，降低了水的通过阻力，从而大大的提升了纳滤膜的分离通量。这一新型的纳滤膜在保持对二价离子截留95% 以上的同时，显著提高了纳滤膜的分离通量，达到53 Lm-2h-1bar-1，远远超过传统的纳滤膜，为传统纳滤膜的5-8倍（如图3所示）。对于ZIF-8纳米颗粒的水溶解性问题，研究人员通过实验发现，这一溶解行为主要归结于ZIF-8纳米颗粒在水体中的不稳定性，ZIF-8负载量与后处理所用的水量比例悬殊，进而导致了ZIF-8纳米颗粒的完全消融。除了ZIF-8纳米颗粒，该方法具有一定的普适性，对于其他微量可溶纳米粒子（如ZIF-67、CaCO3等），也可用做牺牲模板诱导褶皱结构的形成。
以上工作发表了在《自然-通讯》杂志上（Nature Communication, DOI: 10.1038/s41467-018-04467-3），论文第一作者为博士研究生王祯宜，朱玉长副研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家杰出青年科学基金（51625306）、国家自然科学基金重点项目（21433021）和青年科学基金（51603229）等项目的经费支持。
图1 (a) 设计及制备褶皱结构超薄聚酰胺分离层纳滤膜过程示意图；(b)和(c) 无纳米粒子以及有纳米粒子所构建的纳滤膜其表面形貌AFM照片。
图2 褶皱结构超薄聚酰胺分离层纳滤膜分离层形成过程表征。(a)和(b) 单壁碳纳米管膜以及负载有ZIF-8纳米颗粒的复合膜表面形貌SEM照片；(c)-(f) 将纳滤膜浸入水中不同时间后，纳滤膜其表面形貌的变化SEM照片。
图3 (a) 纳米颗粒诱导的褶皱超薄聚酰胺分离层纳滤膜对不同盐离子溶液的截留行为； (b) 与目前文献中其他纳滤膜的分离性能对比图。