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当前最高的离子截留率99.99%!《AFM》:超选择性和高渗透性聚酰胺纳米膜
高分子科学前沿 / 时间:2020-10-13 22:32:59

新材料在线10月12日讯:具有超高离子选择性的过滤膜对于高精度分离水中杂质具有至关重要的意义,它可以提高海水淡化系统中的水回收率。纳滤膜在水净化、盐水电解、高质量水的生产和处理中具有巨大的用途。迄今为止,研究者们在提高纳滤膜性能方面已经进行了广泛的研究工作,常见的方法是通过减小分离层的厚度,从而提高膜的渗透性来提高分离过程中的能效。但是,该类方法总是以很高的截留率保留特定的离子和某些溶质。因此,设计超过当前聚合物膜的渗透率-选择性上限的高性能纳滤膜对于实现高选择性和高渗透率至关重要。

印度CSIR-中央盐与海洋化学研究所Santanu Karan等人报道了通过保持界面的化学计量平衡来精确地控制界面聚合反应的动力学,从而开发了超离子选择性且高透水性的聚酰胺复合纳米过滤膜。保持动力学上有利的化学计量平衡条件能避免在纳米膜中形成聚集孔,而形成具有高表面负电荷的微小网络孔。纳米膜的交联度可控,厚度约为7纳米,从而提高了透水性。超离子选择性膜表现出高达99.99%的二价盐(Na2SO4)截留率。该纳米复合膜的选择性超出了最新报道的纳滤膜的渗透率-选择性上限,并且比纯净水渗透率高达23 L /m2/h/bar的市售膜高出一两个数量级。该研究以题为“Ultraselective and Highly Permeable Polyamide Nanofilms for Ionic and Molecular Nanofiltration”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

纳滤膜的制备

作者通过在水相中添加阴离子表面活性剂月桂基硫酸钠(SLS)的情况下控制哌嗪(PIP)的扩散速率,通过界面聚合制备厚度低至≈7nm的高度交联的聚酰胺纳米薄膜。一定浓度的SLS和PIP可以精确控制界面聚合反应,并在界面处达到化学计量平衡。膜的制备过程如图1a,b所示,其中将水相浸渍在超滤多孔载体中,并与有机相中的均苯三甲酰氯(TMC)反应。作者发现SLS降低了界面张力并像相转移催化剂一样有利于PIP扩散到有机相中,并抑制了聚合过程中释放的PIP的质子化。通过控制界面聚合条件,可以制备具有所需交联结构(图1c)和厚度的聚酰胺纳米膜。通过将纳米膜与支撑膜隔离开来,作者将纳米膜独立放置,然后转移到不同的基材上。化学计量平衡条件有利于形成微小的网络孔,并抑制较大聚集孔的形成,这是制备超离子选择性膜的关键。

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图1 纳滤膜的制备方法与表征

超强离子选择性

以纯水、不同盐溶液和有机溶剂为原料,作者研究了聚酰胺纳米复合膜的纳滤性能。与以前报道的超高性能膜相比,在低PIP浓度且存在1×10-3 M SLS的情况下制成的纳米膜表现出非常高的Na2SO4截留率为99.95± 0.03%。膜还显示出对二价阴离子(Na2SO4,MgSO4),二价阳离子(MgCl2,CaCl2)和一价阴离子(NaCl和NaF)的抑制均增加,纯水渗透率降低。进一步将PIP浓度提高到0.1 wt%并在1×10-3 M SLS的情况下,所产生的纳米膜显示出极高的截留率Na2SO4为99.96±0.03%,MgSO4为99.84±0.1%。当聚合时间从5 s增加到20分钟时,Na2SO4的截留率从99.96±0.03%增加到99.99±0.01%,NaCl对Na2SO4的选择性从1447增加到4310,即比市售膜高出20-40倍。减小的孔径、纳米膜厚度以及纳米膜内部的电荷分布使膜具有超强的离子选择性。

同时实现高选择性和高渗透率

随着TMC浓度从0.05%增加到0.15%,纳滤膜形成了增强的交联结构,显示出更好的脱盐率。该膜的交联结构和脱盐行为是根据界面聚合动力学,通过水相中所用SLS的浓度进行调节的。通过添加高于临界胶束浓度(SLS的CMC:8.2×10-3 M)的10×10-3 M SLS,Na2SO4和MgCl2的截留率均显着降低。超选择性膜即使在非常高的Na2SO4浓度(40 g L-1)下也能保持98.59±0.75%的出色Na2SO4截留率。该纳滤膜的超离子选择性和高渗透率在图2d中表示,它代表了渗透率与离子选择性之间的折衷关系的新上限,超越了现有的最新纳滤膜。该研究中的纳滤膜性能优于市售膜,在两种盐(NaCl和Na2SO4)的混合离子中,Cl-和硫酸根离子之间的选择性高出约两个数量级,而在四种盐(Na2SO4,MgSO4,MgCl2和NaCl)的混合离子中的选择性高出约一个数量级。

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图2 纳滤膜的性能

总结:作者提出了通过选择性地保持界面的化学计量平衡来精确控制界面聚合反应动力学的超离子选择性且高度透水的聚酰胺纳米复合过滤膜。该研究报道了纳滤膜中最高的Na2SO4截留率(99.99%)和NaCl与Na2SO4之间的选择性(> 4000)。选择性值是其他TFC膜和市售纳滤膜报道值的30-275倍以上。超选择性纳滤膜在节能淡化、去除低分子量有毒污染物和药物成分的纯化中具有巨大的潜力。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007054


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