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络合驱动自组装中间层上制备用于水净化高性能纳滤膜
《纳孔膜》微信公众号 / 时间:2019-11-18 10:37:05

  据纳孔膜微信公众平台2019年10月29日讯 由于人口激增和全球工业化的加剧导致全球出现了水危机问题,从可持续发展的角度来看,基于膜的分离技术是解决这一问题最可行和最有效的方法。具有高渗透性、高一价/二价离子选择性和低操作压力等优点的纳滤膜,在水净化领域得到了广泛的应用。目前,最主流的纳滤膜是由紧密的聚酰胺选择层和多孔聚合物支撑体组成的薄膜复合膜(TFC)。但是TFC膜一直存在渗透性—选择性折衷的限制,这也是TFC膜发展的瓶颈。目前解决这一问题比较好的方法是优化基材的表面性能和孔径以实现在界面聚合工艺中更好的控制水性单体的分布和扩散。有的学者做出了具有史无前例的亚10纳米级光滑PA层,这对制备具有高渗透性和选择性的纳滤膜有着很大的意义。通过引入无机纳米链或纳米材料夹层有助于形成性能优异的超薄PA纳滤膜,但是其大规模的应用却受到纳米材料工艺的限制。对于这些基于酚的中间层它们提供了纳米支架平台,用于形成更薄、更光滑的PA层,但是分离性能的增强不如在无机夹层上制备的TFC膜。因此,对于制备具有优异性能的TFC膜一直受到人们的广泛关注。
  在该团队早期的工作中,通过构建Noria-PEI 夹层与PIP单体之间的宿主-客体异质相互作用,制备了皱缩的NF膜。制得的具有皱缩形态的NF膜具有超高性能,这表明增加PA层的表面积是进一步改善渗透性而又不损害其他性能的优选途径。同时说明 ,设计多功能有机纳米支架夹层调节界面聚合工艺以同时减少PA层的厚度并增加其表面积是合理的。因此该团队该提出了一种简单的配位驱动策略,以构建多功能的PSS(4-苯乙烯磺酸钠)—金属离子络合物中间层,用来制备具有皱缩形态的高性能NF膜。由于PSS包含大量具有强大螯合能力的磺酸盐基团,因此它可以作为有机配体结合用作无机交联剂的金属离子,通过螯合相互作用和电子吸引作用诱导PSS-金属离子络合物在基材上的组装。以Ca(Ⅱ)为例,PSS和Ca(Ⅱ)的共沉积可产生复杂的涂层,该涂层在调节IP过程中起双重作用,不仅充当纳米支架的角色,以提供更统一的IP平台,而且也可以作为大分子添加物,以引起IP工艺的扩散驱动不稳定性。从而获得了具有皱缩形态和更少的PA进入支撑孔的超薄且无缺陷的PA活性层,其同时显示出高达22.15±1.14 L m-2 h-1 bar-1的水通量与令人满意的高盐截留率。


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图1.制备新型NF膜的示意图


  通过观察制备的NF膜的不同放大倍数的SEM图像,可以看出TFC-0(即初始底材)和TFC-1(即仅有pss改性的底材)的顶面显示出典型的结节状形态,而在改性载体上制备的TFC-2-TFC-4(即pss-Ca(Ⅱ)涂层上制备的TFC膜具有的pss浓度分别对应为0.9mM、9.0mM、90.0mM)膜则呈现出皱纹由不规则的条纹状纳米结构组成的形貌,并且随着PSS和Ca(Ⅱ)的共沉积量增加,它们看起来更短、更密。特别是,仔细观察TFC-3的顶表面,低分辨率SEM图像显示这些褶皱在整个膜上是均匀分布的,并且其内部结构是空心的。此外,AFM形貌也证实了TFC-0-TFC-4膜的表面形态差异。与结节结构相比,形成的条状结构使膜表面更粗糙,这实际上增加了实际的渗透面积。


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图2.制备的TFC膜的顶部表面形态:(a)低分辨率和(b)高分辨率SEM图像,(c)AFM形貌图像和(d)三维AFM图像。

表1.制备的PA纳米膜的表面粗糙度

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(注:α由公式计算得到[S(实际比表面积)/S(投影面积)-1]×100%)


  当pss的浓度为9.0mM(即TFC-3)时,Na2SO4截留率显着增加,高达99.34%,而其NaCl 截留率与未加载体的TFC-0相似,这表明其对 NaCl/Na2SO4 的选择性改进,也表明引入PSS-Ca(Ⅱ)涂层的策略打破了传统NF膜在渗透性-选择性之间的权衡,此外,TFC-3还具有出色的期运行稳定性。但是,由于其表面有效孔径比TFC-0的小,而且负电荷增加会使膜的二价金属盐截留率(MgCl2/CaCl2)降低。


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图3.制备的TFC膜的分离性能和特征:(a)透水性和Na2SO4截留率,(b)包括MgSO4,MgCl2,CaCl2和NaCl的其他盐的截留率,(c)表面水接触角,(d)Zeta电位结果(电解质溶液,1mM KCl)。


  与TFC-0相比,TFC-3表现出了对 TrOCs的超高的去除效率(超过90%),同时,对Ca2+/Mg2+的排斥率也相对较低,这表明样品对 TrOCs和二价阳离子具有优越的选择性,也说明样品在饮用水净化方面是有着很大的潜力的。结合其较高的渗透性,有望成为用于饮用水处理的替代NF膜。


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图4.(a)TAC-0和TFC-3膜的PhAC和金属阳离子的截留(进料溶液:115.7 ppm Na+,30.2ppm Mg2+ ,85.0 ppm Ca2+ ,277.3ppm Cl-,127.5 ppm SO42-和0.05ppm PhAC,pH:7.3);(b)TFC-3膜可能的分离机理示意图。


  以上相关成果分别发表在Separation and Purification Technology上。论文的第一作者为中国石油大学(华东)化学工程学院胡平(Hu Ping),通讯作者为牛青山教授。

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