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研究背景

水資源安全是全球面臨的重大挑戰(zhàn)之一，確保清潔水源的可持續(xù)供應(yīng)已成為研究熱點(diǎn)。隨著水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能的水處理技術(shù)迫切需求日益增加。在多種水處理方法中，納濾（NF）因其高效排斥多價(jià)離子和低分子量有機(jī)物，且能耗較低，已成為飲用水生產(chǎn)及工業(yè)廢水處理的重要技術(shù)。然而，傳統(tǒng)的聚酰胺納濾膜雖然在選擇透過(guò)性方面具有優(yōu)勢(shì)，但其水透過(guò)性較低，限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的效率。為提高聚酰胺納濾膜的水透過(guò)性，許多研究集中于分子單體設(shè)計(jì)、納米復(fù)合材料和膜制備工藝的優(yōu)化，但膜結(jié)構(gòu)變化較少，難以實(shí)現(xiàn)顯著提升。

為了解決這一問(wèn)題，研究人員開(kāi)始探索混合維度膜結(jié)構(gòu)，結(jié)合二維聚酰胺膜與不同維度的結(jié)構(gòu)，期望通過(guò)增加水傳輸通道來(lái)提高膜的水透過(guò)性。近年來(lái)，納米結(jié)構(gòu)的自組織行為引起了廣泛關(guān)注，尤其是在油水界面反應(yīng)中，分子單體能夠通過(guò)界面聚合形成具有獨(dú)特層次結(jié)構(gòu)的聚酰胺膜。這一過(guò)程通過(guò)毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)納米管的形成，進(jìn)而有效增加膜的水傳輸面積。

成果簡(jiǎn)介

基于這一思路，天津工業(yè)大學(xué)武春瑞研究員團(tuán)隊(duì)在Nature Water期刊上發(fā)表了題為“Interfacial self-organization of large-area mixed-dimensional polyamide membranes for rapid aqueous nanofiltration”的最新論文。研究人員成功開(kāi)發(fā)了具有一維納米管與二維納米膜復(fù)合的混合維度聚酰胺膜，并在室溫下通過(guò)簡(jiǎn)單的兩種小分子自組織形成大面積膜材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該膜不僅具有顯著提高的水透過(guò)性，還展示了超越傳統(tǒng)膜技術(shù)的優(yōu)異水鹽分離性能，為大規(guī)模、低成本的水處理膜的開(kāi)發(fā)提供了新的思路和可能性。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)控制界面聚合反應(yīng)，在室溫下僅使用兩種小分子，在油水界面上快速自組織形成大面積的混合維度聚酰胺膜，構(gòu)建了一種由一維納米管和二維納米膜組成的層次結(jié)構(gòu)（NoN結(jié)構(gòu)）。

2. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)精確調(diào)控反應(yīng)條件，成功實(shí)現(xiàn)了大面積的混合維度膜的可擴(kuò)展合成。該膜展現(xiàn)出顯著提高的水透過(guò)性，每單位投影面積的水傳輸可用面積大幅增加，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的水鹽分離性能，且其水透過(guò)率達(dá)到30.0 l·m^?2·h^?1·bar^?1，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)二維聚酰胺膜。

3. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和對(duì)照實(shí)驗(yàn)，揭示了兩種分子單體在反應(yīng)初期階段自組織形成二維納米孔網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)納米管的向上聚合過(guò)程，從而形成了具有混合維度結(jié)構(gòu)的聚酰胺膜。

4. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)表面形態(tài)演化分析和PALS（正電子壽命譜）技術(shù)對(duì)自由體積的分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了該混合維度膜的結(jié)構(gòu)特征及其在不同反應(yīng)時(shí)間下的變化。

5. 實(shí)驗(yàn)通過(guò)分離性能比較，證明了該膜在水處理中的巨大潛力，并提供了膜結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系圖，揭示了結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于提高膜分離性能的關(guān)鍵作用。

圖文解讀

圖1：具有NoN結(jié)構(gòu)的混合維度聚酰胺膜示意圖，并與平面二維聚酰胺膜進(jìn)行對(duì)比。

圖2：所得到的混合維度聚酰胺膜的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)表征。

圖3：NoN形成過(guò)程的模擬及結(jié)構(gòu)調(diào)控。

圖4：反應(yīng)時(shí)間與表面形態(tài)演化及通過(guò)PALS分析的自由體積。

圖5：分離性能比較及結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系圖。

結(jié)論展望

在本研究中，作者成功采用界面聚合方法，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模制備混合維度聚酰胺膜的一步法工藝。獨(dú)特的NoN結(jié)構(gòu)為節(jié)能的納濾膜的開(kāi)發(fā)鋪平了道路，展現(xiàn)出卓越的水通量和水鹽分離選擇性。這一制備工藝能夠通過(guò)卷對(duì)卷涂布方法輕松放大，具有在飲用水生產(chǎn)、市政和工業(yè)廢水處理中的廣泛應(yīng)用前景。通過(guò)本研究獲得的理論見(jiàn)解，為理解界面聚合的復(fù)雜性提供了新的思路，特別是如何利用界面物理和化學(xué)相互作用的交互作用。作者相信，這些發(fā)現(xiàn)為水安全領(lǐng)域開(kāi)發(fā)先進(jìn)的納米制造技術(shù)提供了新的價(jià)值。

文獻(xiàn)信息

Liu, SH., Shi, W., Hung, WS. et al. Interfacial self-organization of large-area mixed-dimensional polyamide membranes for rapid aqueous nanofiltration. Nat Water (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/12/02/762b005857/

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