《Nat.Commun.》：用于水净化的有序纳米空隙的非对称聚酰胺膜

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编者按

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由于人口增长和工业化引起的水资源短缺和污染问题，使全球经济和社会可持续发展面临巨大的挑战。以高能效和技术成熟为特征的膜分离技术已广泛应用于海水淡化，饮用水软化和工业废水处理等分离过程中。通常，商业聚酰胺复合膜为三层结构，由无纺布、超滤层和聚酰胺致密层组成。其中无纺布和超滤层用作支撑载体，而致密聚酰胺层则赋予膜材料高效的分离特性。然而，目前聚酰胺复合膜的渗透选择性由于受致密分离层的本征形貌和结构的限制，在实际应用中导致了较高的能耗。

最近，河南师范大学远冰冰博士与深圳大学高等研究院牛青山教授等人在聚砜基底上设计了具有非对称结构的双层聚酰胺膜。其中下层为树枝状聚酰胺大分子多孔层，由树枝状聚酰胺胺大分子末端大量的胺基通过重氮化-偶合反应在基底表面原位共价自组装而成。上层为多功能酰氯与胺单体经界面聚合反应制备的具有有序纳米空隙的超薄聚酰胺致密层。进一步地，通过制备多层树枝状大分子层来改变基底极性和改变界面聚合反应时间可对致密聚酰胺层的形貌进行精准调控。

图1（a）芳香族树枝状聚酰胺胺大分子多孔层形成过程（b）界面聚合法制备超薄聚酰胺膜过程。

图2 非对称聚酰胺膜的（a）表面TEM图像（b）横截面SEM图像

所制备的聚酰胺膜表现出优异的水渗透性（约270kg·m⁻²· h⁻¹·MPa^-1），与传统聚酰胺膜相比提升了约4倍，同时保证了对硫酸镁的高截留率（约99.1%）。该团队将渗透性的增加归因于以下因素：（1）三维刚性的树枝状大分子具有丰富的分子内孔和大量的亲水端基，这使得原位共价自组装后的基底的纯水通量提高，促进了水分子的传输；（2）显著变薄的聚酰胺致密层降低了水的传输阻力；（3）聚酰胺致密层表面大量的高度均匀有序的中空纳米带结构可以增加有效膜面积，从而进一步提高水渗透性。另外，相关测试结果也表明该新型聚酰胺膜具有良好的操作稳定性和出色的离子选择性。

图3 非对称聚酰胺膜对于（a）MgSO₄（b）Na₂SO₄的水渗透性与水-盐渗透选择性关系图

总之，通过设计调节纳滤膜材料的结构和形貌突破了传统的trade-off上限。这项工作将会激发更多的关于薄层复合膜的结构设计研究，并应用于高性能反渗透膜、有机溶剂纳滤膜和渗透汽化膜等膜材料的制备过程。

这一成果近期发表在Nature Communications上，通讯作者是远冰冰博士和牛青山教授。上述工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19809-3

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