华中科技大学王艳教授团队《Adv. Membr.》综述：薄膜复合膜在渗透汽化领域的研究进展、挑战与展望

导读

薄膜复合膜（TFC膜）因其选择层较薄、传质阻力低和易于改性优化等特点，是开发高通量分离膜的首选，在水处理领域已广泛应用，近年来在渗透汽化分离领域也展现出优异的应用前景。华中科技大学王艳教授团队在Advanced Membranes期刊发表了题为“Recent advances of thin film composite membranes for pervaporation applications: A comprehensive review”的综述，重点介绍了TFC膜在渗透汽化分离领域的最新研究进展，包括各类膜的分离机理、制备方法、改性策略、性能总结比较、以及所面临的挑战和发展方向。

图文详解

1. 背景介绍

渗透汽化，在有机溶剂脱水、有机混合物分离和海水脱盐等领域具有巨大的应用前景。现有渗透汽化膜材料面临着通量较低和制膜困难等问题，而TFC膜制备简单、便于优化、分离性能优异，是一种理想的渗透汽化膜类型。

2. 渗透汽化机理

在液-液分离方面，TFC膜一般采用溶液-扩散模型，而负载了纳米颗粒的薄膜纳米复合膜（TFN膜）通常采用溶液-扩散模型和分子筛分模型（图1）。对于渗透汽化脱盐，不带电的TFC膜仍然适用溶液-扩散模型，而带电的TFC膜则需同时考虑溶液-扩散模型和静电相互作用（即唐南效应）。

图1. TFC膜和TFN膜的分离机理

3. TFC膜的制备及优化

TFC膜由多孔的基膜和超薄的选择层组成。对基膜来说，平板基膜主要通过非溶剂诱导相转化法（NIPS）和静电纺丝技术制备，而中空纤维基膜主要通过干湿法纺丝和熔融纺丝技术制备。选择层的制备方法主要有界面聚合技术（IP）、层层自组装技术（LBL）、旋涂技术、喷涂技术、刮涂技术、真空辅助抽滤技术和浸渍涂敷技术。其中，IP和LBL技术是最常用的TFC膜制备技术，流程示意图如图2所示。

图2.（a）界面聚合和（b）层层自组装技术制备TFC膜的流程示意图

为了获得理想的渗透汽化性能，可以通过材料优化、表面修饰或引入填料等方式改善基膜的孔结构及其与选择层的亲和性，而选择层的改性策略包括材料优化（IP中通常选用均苯三酰氯和脂肪族胺单体，而LBL中的阳离子材料通常为带氨基的聚合物）、填料引入（无机粒子、二维材料和有机框架材料等）、制备条件优化（外加压力和电场、基膜浸泡时间和单体浓度调节、共溶剂辅助、后处理等）、以及表面修饰，以提升其亲水性、交联度和微观结构，如图3所示。

图3. TFC膜的多种优化改性策略

4. 渗透汽化性能

报道的TFC膜主要用于乙醇或异丙醇脱水和渗透汽化脱盐。从乙醇脱水和异丙醇脱水的性能比较图（图4）可知，一些TFN膜的渗透汽化性能优于大多数聚合物TFC膜，表明填料的加入打破了TFC膜的通量和分离因子的“跷跷板”现象。TFC膜对于乙醇脱水的渗透通量和分离因子一般分别都超过1000 g/m² h和1000，而异丙醇脱水的渗透通量则更高（~ 2500 g/m² h），分离因子仍保持在1000以上。此外，TFC膜用于甲醇体系脱水的分离因子较低（＜100），而对于其他动力学直径较大的溶剂（如丁醇、乙二醇、四氢呋喃等）均可达到较好的分离性能。尤其是正丁醇水溶液体系，多孔的COF膜表现出了优异的分离性能，渗透通量和分离因子分别能达到4500 g/m² h和4500以上。但用于渗透汽化有机物回收的TFC膜目前报道较少，除了常见的硅氧烷材料，现阶段制备的TFC膜一般相对亲水，难以满足优先透有机物的需求。

图4. TFC渗透汽化膜用于（a）乙醇和（b）异丙醇脱水的性能比较

对于渗透汽化脱盐的TFC膜，较少使用IP或LBL技术制备，选择层基本上是PVA材料。一般能达到较好的NaCl截留效果（超过99.5%），且膜污染较小。相对于纳滤和反渗透而言，TFC膜渗透汽化能被用来分离高浓度盐水，有着较大的应用潜力。

同时，大多数文献是基于平板TFC膜的渗透汽化研究，基于中空纤维膜的研究较少，主要是因为难以获得足够致密无缺陷的TFC中空纤维膜的选择层结构，以满足渗透汽化分离的要求。特别是TFN中空纤维膜在乙醇或异丙醇脱水方面的研究仍是空白。

5. 未来展望

现阶段TFC渗透汽化膜所面临的挑战和发展包含如下一些方向：

（1）进一步开发更简单、通用、环保的无缺陷TFC膜的制备和优化策略；

（2）中空纤维TFC膜易放大、堆积密度高，是未来渗透汽化技术产业化的主要发展方向，但选择层相对疏松是亟待解决的关键问题；

（3）加大在实际工业废水有机回收处理中的应用；

（4）寻找新的疏水材料和改性策略来制备高性能TFC渗透汽化膜，促进其在有机物回收领域的应用。

6. 文章信息

本文以“Recent advances of thin film composite membranes for pervaporation applications: A comprehensive review”为题发表在Advanced Membranes期刊，第一作者为华中科技大学朱腾阳博士生，硕士生夏庆、刘书铜、虞希，及新加坡理工大学左建博士为共同作者，通讯作者为华中科技大学王艳教授。该工作得到国家自然科学基金（21878117）和国家重点研发计划（2020YFB1709301）的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2021.100008（点击阅读原文获取全文）

引用格式：

T. Y. Zhu, Q. Xia, J. Zuo, S.T. Liu, X. Yu, Y. Wang, Recent advances of thin film composite membranes for pervaporation applications: A comprehensive review. Advanced Membranes 1 (2021) 100008.

作者简介

第一作者

朱腾阳

朱腾阳，华中科技大学化学与化工学院博士研究生。主要围绕混合基质膜和薄膜复合膜的设计与制备及其在渗透汽化乙醇-水混合物分离方面的研究。以第一作者或共同一作在Adv. Membr., J. Membr. Sci., ACS Sustain. Chem. Eng., J. Environ. Chem. Eng. 和 Adv. Compos. Hybrid Mater. 上发表论文五篇。

通讯作者

王艳（教授）

王艳，华中科技大学化学与化工学院教授、博士导师，湖北省特聘专家（2014），国家级人才计划入选者（2013）。本科毕业于合肥工业大学化工学院，博士毕业于新加坡国立大学，新加坡国立大学博士后。从事分离膜与膜过程的应用研究，包括正渗透/反渗透/纳滤用于盐水淡化及污水处理、渗透汽化用于液体混合物的分离、有机溶剂纳滤等。迄今已发表SCI学术论文70余篇，参与编写4部英文原版书籍，拥有近20项国际国内授权专利。现任期刊Chemical Engineering Research and Design的Subject Editor、Advanced Membranes和《膜科学与技术》编委、第一届中国膜学会（筹）和湖北省党外知识分子联谊会的常务理事、和中国海水淡化与水再利用学会第七届理事会理事。2018年获第一届中国膜科学“优秀青年科学家”称号。

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