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近半個世紀以來，復合反滲透膜一直是海水淡化和水凈化的最佳選擇，一直以聚酰胺化學為主，聚酰胺在透水性和脫鹽性方面具有足夠的性能，但在氯或其他強氧化劑存在下容易降解。聚酯通常不用于水過濾膜，因為它們浸入水溶液中時會發生水解降解。

在此，南京理工大學張軒教授，東北師范大學王憲澤副教授和美國耶魯大學Menachem Elimelech教授等人通過分子設計聚酯薄膜復合反滲透膜來解決這些問題，該膜使用助溶劑輔助界面聚合，使3,5-二羥基-4-甲基苯甲酸與三甲基酰氯反應。這種聚酯膜具有很強的透水性，對氯化鈉和硼展現出高截留率，以及對氯的完全耐受性。與聚酰胺膜相比，該膜的超光滑、低能耗表面還可防止結垢和礦物結垢。同時，這些膜可以通過進一步優化水-鹽選擇性來越來越多地挑戰聚酰胺膜，從而為大幅減少海水淡化中的預處理步驟提供途徑。

相關文章以“More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination”為題發表在Science上。

內容詳解

聚酰胺薄膜復合反滲透（TFC-RO）膜憑借其出色的分離效率，近半個世紀以來一直是海水淡化或廢水再利用的重要技術。這些膜通過界面聚合（IP）制備，其中反應發生在含有間苯二胺（MPD）的水相和含有三甲基氯（TMC）的有機相之間的界面上。然而，IP工藝的熱力學不穩定性會產生具有高表面粗糙度的薄聚酰胺薄膜，這有利于有機污垢或無機垢劑的粘附。盡管氧化劑（如氯）可以防止膜生物污染，但在活性氯存在下，聚酰胺薄膜會通過酰胺鍵處的 N-氯化或苯環處的直接芳香取代而變質。

為了克服這些限制，工業水處理需要一系列昂貴的預處理步驟（例如，混凝、阻垢劑添加、消毒和脫氯），以去除潛在的污垢和殘留的氧化物質，從而為精密的RO膜制備給水。盡管最近在文獻中報道了防污和耐氯膜可能避免這些預處理步驟，但與聚酰胺膜相比，它們的海水淡化性能要差得多。一個例外是在由聚醚砜（PES）基材支撐的中間聚（哌嗪酰胺）層上形成的聚酯選擇層。盡管聚酯選擇層表現出出色的耐氯性和海水淡化能力，但膜在pH 值為 8.0 時開始水解，因此海水（pH=8.0~8.5）、堿性地下水和城市廢水（pH=7.0~8.5）將需要其他形式的化學密集型預處理。開發一種堅固的膜，通過抗結垢和礦物結垢或對清潔劑（例如活性氯）的化學惰性，消除所有預處理步驟，可以大大降低海水淡化的成本和環境影響。

為了應對這些挑戰，本文使用助溶劑輔助界面聚合，從分子上設計了一種堅固的聚酯TFC-RO膜。該膜具有顯著的透水性，對NaCl和硼具有高截留率。此外，它還具有完全的耐氯性，以及出色的抗污垢和礦物結垢性。

圖1. 聚酯RO膜的設計、制造工藝和海水淡化性能。

圖2：DHMBA和SW30膜暴露于氯氣后的海水淡化性能和形貌。

圖3：DHMBA和SW30膜的石膏結垢和有機結垢。

圖4：DHMBA和SW30膜在海水淡化中的污垢比較

綜上所述，本文證明了聚酯反滲透膜具有出色的水-鹽選擇性、硼去除性以及耐氯、結垢和礦物結垢性。助溶劑輔助IP工藝增強了水性反應物向有機相的擴散，從而形成了具有高脫鹽性能的無缺陷選擇層。這些膜的表面比商業聚酰胺海水反滲透膜光滑得多，這可能是它們結垢和結垢傾向較低的原因。具有高度交聯結構的全芳香族聚酯使膜在0至9的pH值范圍內具有耐氯性和水解穩定性。由于本文的膜制造工藝與傳統的TFC膜相似，因此可以調整現有的工業生產線以擴大生產規模。

Yujian Yao, Pingxia Zhang, Fei Sun, Wen Zhang, Meng Li, Gang Sha, Long Teng, Xianze Wang*, Mingxin Huo, Ryan M. DuChanois, Tianchi Cao, Chanhee Boo, Xuan Zhang*, Menachem Elimelech*, More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination, Science. (2024).?

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