厦门大学蓝伟光教授课题组Nanoscale Advances：调节纳滤膜厚度以实现高效水质净化

纳米人

2023-08-14

     

关键词：纳滤膜、氧化石墨烯、植酸、界面聚合、分子动力学

随着人类社会高速发展，水资源污染问题显得尤为突出。膜分离技术广泛应用于废水净化和脱盐领域，但传统的聚酰胺（PA）纳滤膜通常存在渗透性和选择性之间存在“权衡”限制的问题，这限制了其长时间重复运行和应用。研究表明，PA层的表面亲水性、内部传输通道和厚度是影响膜分离性能的关键因素。氧化石墨烯（GO）作为一种二维层状材料，存在丰富的羟基、羧基和环氧基团，添加到PA层中可以为水分子提供通快速传输通道。但是在PA层中添加纯GO对水通量的改善往往十分有限，通常会降低纳滤膜的截留率。因此，如何针对PA层的亲水性以及膜层厚度优化是提升纳滤膜性能的关键所在。

近日，厦门大学蓝伟光教授课题组在《Nanoscale Advances》上面发表了题为“Regulating the thickness of nanofiltration membrane for efficient water purification”的论文。本论文将多功能的植酸（PhA）分子作为表面改性剂来修饰GO，将GO-PhA(GP)复合物作为添加剂并通过界面聚合引入到传统聚酰胺纳滤膜中，制备了高性能的薄膜纳米粒子复合（TFN）纳滤膜。实验和分子动力学模拟研究结果表明，GP复合物不但增强了纳滤膜的亲水性，还可以有效地降低界面聚合过程中哌嗪的扩散速度，从而减小PA膜的厚度。优化后的TFN-GP-0.2复合膜的水通量为48.9 L m^-2 h^-1，是原始薄膜复合(TFC)纳滤膜(37.9 L m^-2 h^-1)的1.3倍；与此同时，TFN-GP-0.2膜对2000 ppm MgSO₄和Na₂SO₄的截留率分别保持在97.5%、98.3%。此外，TFN-GP-0.2复合膜还表现出良好的长期稳定性，连续运行12 h后，水通量仅下降0.1%，MgSO₄截留率则从97.5%提高到了98.2%。该膜表现出的性能可与三款主流的商品化纳滤膜的性能相媲美。         

图1. (a) TFN-GP复合膜的制备过程；(b) TFC、(c) TFN-GO-0.2和(d) TFN-GP-0.2膜的SEM表面图像；(e) TFC、(f) TFN-GO-0.2 和(g) TFN-GP-0.2膜的SEM截面图像。   

图2. (a)、(d) TFC、(b)、(d) TFN-GO-0.2和(c)、(f) TFN-GP-0.2的AFM表面图像和相应的三维表面形貌图像；(g) TFC和TFN复合膜的厚度；(h) TFC和TFN纳滤膜的水接触角；(i) PSU、TFC和TFN复合膜的FT-IR光谱。

图3. (a) TFC和TFN复合膜的XPS全谱；TFN-GO-0.2 膜的(b) C 1s和(c) O 1s 精细能谱图；TFN-GP-0.2膜(d) C 1s、(e) O 1s和(f) P 2p精细能谱图。

图4. 扩散60秒后有机相中PIP的紫外-可见(UV-vis)光谱；(b) 通过分子动力学模拟的PIP在有/没有GP复合物的情况下PIP向正己烷相的扩散系数；水/正己烷界面(c) 没有和(d) 有GP复合物的MD模拟图。

图5. (a) 不同质量比TFN-GP纳滤膜的水通量和MgSO₄截留率；(b) 不同浓度的GP复合物对纳滤膜分离性能的影响；(c) TFC和TFN纳滤膜的分离性能；(d) TFC和TFN复合膜对2000 ppm盐溶液的截留率；(e) TFN-GP-0.2膜与纳米材料改性TFN纳滤膜的通量和截留率对比；(f) TFN-GP-0.2膜与商业聚合物膜分离性能对比。

图6. TFC和TFN纳滤膜连续运行12小时的(a) 水通量和(b) 截留率的稳定性；(c) TFN-GP复合膜的分离机理。

厦门大学材料学院硕士生唐可为该论文的第一作者，厦门大学材料学院蓝伟光教授和陈洲助理教授为本论文的通讯作者。

蓝伟光是厦门大学材料学院教授，厦门大学水科技与政策研究中心首席科学家，厦门大学膜技术应用与推广中心暨中国科创板首家膜科技上市公司（简称：三达膜；代码：688101）创始人，他率领团队开发了500多项先进的膜分离工艺，获颁100多项专利发明，掌握了先进膜材料开发与应用的核心技术，创造了良好的经济与社会效益。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/na/d3na00110e