超透性抗菌聚酰胺复合膜

清洁水短缺正威胁着全球20多亿人的健康。随着人口的不断增加,这一状况将进一步恶化。高渗透通量膜在解决能源和水危机方面发挥着重要的作用。聚酰胺薄膜复合膜(TFCMs)基准材料在水处理膜分离市场中占主导地位。由于水的传输速率与膜的厚度成反比,所以这种传统膜表现出中等的水渗透通量。超薄膜可以提高水的渗透通量,但是存在制备工艺复杂和成本高等缺点。目前通过简单的方法制得超高渗透通量的较厚薄膜仍然具有挑战性。

北京工业大学的安全福和华中科技大学赵强(共同通讯作者)等通过简单的化学改性的方法实现了在不降低滤膜厚度的条件下,制得亲水性强和水渗透通量超高的净水膜,为制备高通量膜提供了范式转移。相关研究成果以题“Antibacterial Polyamide Composite Membranes with Unreduced Thickness”发表在《Advanced Materials》上。

超透性抗菌聚酰胺复合膜

该工作中,利用廉价的四(羟甲基)氯化磷(THPC)直接改性聚酰胺复合膜。虽然改性膜的厚度增加了40nm,但是水渗透性提高了6倍,渗透通量比现有聚合物纳滤膜高一个数量级。同时,在错流条件下,该改性膜表现出良好的脱盐性和抗菌性。THPC改性聚酰胺膜不仅改善了膜的亲水性,还在膜中创建了可无阻碍传输水的通道。

 

图文解析

超高通量滤膜(PIP-TMCTFCM)制备方法是在聚砜支撑膜上进行了哌嗪(PIP)与均苯三甲酰氯(TMC)的界面聚合反应,制得PIP-TMC TFCM。将THPC水溶液(5 wt%)倒入新鲜制备的PIP-TMC TFCM(未干燥)中,并保持10分钟。通过FTIR和XPS等方式证实了羟基和酰基发生了酯化反应(图1)。

超透性抗菌聚酰胺复合膜
图1 a)THPC改性原始聚酰胺膜(PIP-TMC TFCM)的示意图;b)玻璃烧杯中与THPC水溶液接触的TMC/己烷溶液的光学照片;c)ATR-FTIR光谱,d)O 1s的XPS图,e,f)SEM图;g)PIP-TMC和THPC-5 TFCMs的ζ势,水接触角(WCA)和PIP-的表面自由能(SFE)。分别是TMC和THPC-5 TFCM。

此外,THPC-5 TFCM 对二价阴离子的截留率高,对Na2SO4和MgSO4的截留率分别为98.4%和93.8%。此外,THPC-5膜对离子选择性(Cl/SO42-)的计算值为48,这是聚酰胺TFCMs的最高值之一。当Na2SO4浓度从1000 ppm增加到7000 ppm,THPC-5 TFCM对盐的截留率仍然高于 97.5%,表明THPC-5TFCM也适用于浓盐溶液(图2)。

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图2.不同盐浓度下PIP-TMC和THPC-5膜的a)水通量和b)截留率;c)在6 bar膜压差下,Na2SO4浓度对THPC-5 TFCM通量和截留率的影响;d)THPC-5 TFCM与最新的纳滤膜的性能比较。

浓度分别为1和3 wt%的THPC改性PIP-TMC 制得了THPC-1TFCM和THPC-3 TFCM。相比未改性前的膜,改性后膜的水通量和自由体积均增大,且随着THPC浓度的增加,改性膜的水通量和自由体积增加,这得益于相对较大的磷原子半径和THPC分子独特的四面体结构,它们均会增加自由体积腔。此外,THPC分子具有出色的水结合能力,可增加膜的亲水性。总的来说,THPC改性尽管增加了膜的厚度,但创建了额外的分子通道,可无阻碍地传输水(图3)。

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图3. a)THPC浓度对THPC改性膜的通量和Na2SO4截留率的影响;b,c)以正电子入射正电子能量分别为0.3 keV(16 nm深度)和1 keV(67 nm深度)时,膜的o-Ps寿命和自由体积特性;d)THPC修改后的TFCM结构示意图;e)特定分子修饰的PIP-TMC膜的纳滤性能。

通过循环两次处理分别含有BSA和海藻酸钠水时,该膜的通量恢复了高于85%;循环处理武汉东湖水两个周期后,通量恢复率高达92%。此外,肠杆菌(革兰氏阴性)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性)与THPC-5膜接触2小时后被有效杀死,表明THPC-5 TFCM优异的抗污性和抗菌性。

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图4. a)分别用含BSA和藻酸钠(0.1 wt%)污垢测试THPC-5 TFCM随时间变化的流量;b,c)培养24小时后金黄色葡萄球菌和大肠杆菌后培养皿的活力和光学图像(左:PIP-TMC TFCM,右:THPC-5 TFCM)。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001383

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