SCI搬运工 | 纳滤膜透水性与脱盐率之间trade-off效应的协调方法

近日，《净水技术》青年委张瑞君副教授所在团队（河北工业大学）在纳滤膜研究上取得重要进展。成果以“How to Coordinate the Trade-off between Water Permeability and Salt Rejection in Nanofiltration?”（如何协调纳滤膜制备过程中透水性与脱盐率之间此起彼伏的矛盾？）为题发表在Journal of Materials Chemistry A（IF：10.733）。

该文根据纳滤过程中的传质特征对纳滤膜功能层进行了区域划分，并从传质区域调整的角度归纳并阐述了纳滤膜制备过程中协调透水性与脱盐率之间trade-off效应的基本原理与技术方法。

文章导读

面对日益严重的清洁水资源短缺问题，微污染原水、市政污水、苦咸水和海水等非传统水资源正被越来越多的国家和地区纳入了供水来源。近年来，膜法水处理技术正在该类应用中发挥着愈发重要的作用，介于超滤（UF）与反渗透（RO）之间的纳滤膜（NF）可允许水分子和部分单价盐离子透过，同时凭借其筛分效应与电荷作用截留大分子有机物和多价离子，这一独特的分离特性使得纳滤膜已被广泛应用于硬度去除、重金属去除、微量有机物去除、苦咸水淡化以及海水预处理等。

对于纳滤工艺过程而言，在产水量一定的前提下，如果能在保证截留效能的同时大幅提高纳滤膜水通量，即可有效降低操作压力和单位能耗，与此同时，较低的操作压力亦可减轻对污染层的压实效应，减缓长期运行中面临的膜污染问题。为此，如何获得具有更高水通量的纳滤膜成为了膜技术研究领域内众多研究者孜孜追求的重要目标。

然而，在纳滤膜制备过程中面临的水通量与脱盐率之间的“取舍效应”（trade-off effect）一直困扰着各国研究人员，实际体现为提高膜通量时总会损失部分脱盐率。那么如何协调膜通量与脱盐率之间此起彼伏的矛盾，做到大幅提高纳滤膜水通量的同时保证其截留效能便成了一个极具吸引力的研究方向。在过去的十年内，世界各国的膜界研究者围绕着trade-off效应开展了大量研究并取了很多成果，但透水性与脱盐率之间trade-off效应的协调原理与技术方法仍未得到系统的分析与总结。本文针对这一问题进行了一定的探讨与论述，希望为高性能复合纳滤膜的可控制备提供一定的启发。

文章摘要

文章首先根据TFC纳滤膜分离层的不同传质特征将其划分为如图1所示的4个传质区域：

1) 溶解扩散区（Solution-diffusion region，SDR）；

2) 水分子透过区（Water molecule passage region, WMR）；

3) 部分透盐区（Partial salt region, PSR）；

4) 完全透盐区（Absolute salt passage region, ASR）。

进而指出在实际的纳滤膜制备过程中可以通过某种技术手段来调整SDR、WMR、PSR和ASR的比例划分，实现纳滤膜透水性与脱盐率之间trade-off效应的协调。通过对现有文献报道进行梳理与总结，提出了5类技术方法：

1）提高膜面亲水性，促进水分子扩散传质；

2）构建水分子传质通道，促进水分子特异性传质；

3）构建褶皱形分离层，增加有效膜面积；

4）降低纳滤膜分离层厚度；

5）窄化纳滤膜孔径分布。

针对上述的每一类技术方法均给出了典型的实施案例。文章的结尾针对纳滤膜制备研究的未来发展提出了5点建议：

1）研究纳滤膜多项结构参数的同步调整与优化；

2）研究针对分离层内部结构的纳米级高分辨表征方法；

3）利用化学计算与分子模拟对界面聚合反应过程进行解析；

4）综合考虑纳滤膜抗污染性与稳定性等影响其实际应用的因素；

5）关注纳滤膜规模化生产过程中的缺陷产生与控制问题。

图1 纳滤膜分离层传质区域划分示意图

团队简介

河北工业大学土木与交通学院给排水科学与工程系的膜法水处理技术团队，现有教授1名，副教授1名，工程师1名，以及20余名在读硕士和博士研究生。围绕膜法水处理技术，已经建立了完善的实验平台，可开展包括微滤、超滤、纳滤、正渗透、膜蒸馏等诸多膜工艺相关的材料制备、机理解析和工艺优化工作。

个人简介

更多详细信息，将在“净水万事屋”及“净水技术公众号”进行报道，敬请关注！

我是王佳，新晋编辑，新晋新媒体工作者，一个钟爱新事物，充满激情与热血，拥有强烈好奇心，渐渐脱发的95少女，愿搭建学术沟通桥梁，分享您的精彩瞬间。

供稿：河北工业大学张瑞君副教授所在团队

编辑：王佳

排版：张蕾

校对：王佳

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