郑州大学张亚涛教授课题组:具有纳米尺度“根状”结构的水净化纳滤膜

传统纳滤膜的性能受到渗透性和选择性之间平衡关系的限制,为了突破这一瓶颈,通过控制界面反应条件来设计褶皱纹理结构纳滤膜。表面形态对纳滤膜的性能有显著影响,粗糙的表面可以提供更有效的透水区域,从而使膜具有更强的渗透能力。然而,由于界面聚合反应具有自抑制性,膜制备过程中的精确表面形态控制仍然是一个巨大的挑战。鉴于此,郑州大学张亚涛教授和朱军勇博士等人提出纳米尺度“根状”结构的纳滤膜,在水净化方面具有重要的应用价值。该成果以题为”Root-like Polyamide Membranes with Fast Water Transport forHigh-performance Nanofiltration”发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

郑州大学张亚涛教授课题组《JMCA》:具有纳米尺度“根状”结构的水净化纳滤膜

首先,匕首状结构的ZIF-L纳米片由于其独特的2D结构、对聚合物的优越亲和力以及在酸性条件下易于去除等优点被选做为牺牲模板。更重要的是,ZIF-L纳米颗粒通过吸附一定量的水相单体进而减缓界面聚合反应中二胺的扩散速率,使聚酰胺层的交联度相对较低。此外,这种牺牲纳米层的去除,有利于制备超薄、粗糙度较大的聚酰胺膜

郑州大学张亚涛教授课题组《JMCA》:具有纳米尺度“根状”结构的水净化纳滤膜
根状聚酰胺膜的形成过程

 

其次,聚乙烯醇(PVA)作为水相添加剂可以进一步促进粗糙结构的形成。PVA分子能够与PIP单体形成氢键作用,增加了溶液的粘度,进一步降低了PIP的扩散速率。ZIF-L和PVA的存在使得体系在扩散系数上表现出适当的差异,导致扩散驱动过程的不稳定性,并产生纳米尺度的皱纹结构。ZIF-L纳米颗粒的去除并不影响聚酰胺层原有的形貌。膜表面形成的根状结构为水分子的运输提供了更快速的纳米通道。

郑州大学张亚涛教授课题组《JMCA》:具有纳米尺度“根状”结构的水净化纳滤膜
根状聚酰胺膜的表面形貌、厚度以及粗糙度

 

作者将根状纳滤膜具有优异的渗透性的机理解释为:由于酸处理导致部分氨基水解,形成相对疏松的聚酰胺层结构。此外,ZIF-L的相对疏水特性和较小的孔径使得水分子不易通过。成功去除ZIF-L模板后,聚酰胺层内形成内腔,提供了额外的水传输通道。更重要的是,酸处理后膜表面的粗糙度显著增加,大大提高了膜的表面积,潜在地促进了聚酰胺纳滤膜渗透性的增强。此外,根状聚酰胺层变薄有效降低传质阻力,从而更有利于提高渗透性。

郑州大学张亚涛教授课题组《JMCA》:具有纳米尺度“根状”结构的水净化纳滤膜
根状聚酰胺膜的性能测试

 

总结:作者通过界面聚合法制备了具有根状结构的高性能聚酰胺纳滤膜。为了促进褶皱状聚酰胺层的形成,二维ZIF-L纳米颗粒预先负载在PAN膜上,以延缓IP反应过程中的PIP扩散速率。此外,PVA被加入水相中,与PIP分子通过氢键结合,进一步限制了PIP向有机界面的扩散,从而导致扩散驱动的不稳定性。去除ZIF-L模板后,膜的表面积和亲水性增加,同时聚酰胺层厚度和表面交联度降低。实验证明,所制备的根状纳滤膜表现出了优异的传输性能,即具有高的透水性(48.9 L m-2 h-1 bar-1)和盐截留率(对Na2SO4的截留率超过93%)。因此,新型根状纳滤膜在实际水处理应用中有很大的潜力。

原文链接:

https://doi.org/10.1039/D0TA06520J

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