牛青山教授团队：能实现超快纳滤的纳米棒夹层薄膜复合膜

研之成理

DOI: 10.1016/j.desal.2022.116255

01

全文速览

牛青山教授团队近期于Desalination期刊（2023, 548, 116255）发表题目为“Nanorod-interlayered Thin Film Composite Membranes for Ultrafast Nanofiltration”的文章。该文章第一作者为李鹏飞，通讯作者为深圳大学高等研究院牛青山教授和德国比勒菲尔德大学物理系杨阳博士。

02

本文亮点

在商业疏水基膜（PP、PE 和 PTFE）上通过原位自由界面聚合制备高性能 i-TFC 膜。
i-TFC膜具有高达48.9 L·m^-2·h^-1·bar^-1的透水性，同时对Na₂SO₄ 保持98.6%的高截留率。
FeOOH 纳米棒的存在提高了i-TFC 膜的透水性、机械强度和防污性能。

03

图文解析

制备可以打破trade-off效应的高性能纳滤膜对于膜分离的发展至关重要。在支撑层和选择层之间建立一个中间层来加速水的运输被认为是解决该问题的有效方法。然而，在具有大孔和高孔隙率的非极性基材上合成夹层薄膜复合膜（i-TFC）仍然具有挑战性。本文报告了一种以FeOOH纳米棒作为夹层的高性能 i-TFC 膜。如图1所示，首先，聚丙烯基膜通过重氮盐溶液改性得到氨基化aPP膜。随后，氨基为原位合成FeOOH纳米棒提供了结合位点。最后，通过原位自由界面聚合（IFIP）在PP载体上形成以FeOOH纳米棒为刚性模板的i-TFC膜。

图 1 (a) i-TFC 膜的制备过程示意图。(b) ATR-FTIR 光谱；(c）XPS 光谱和 (d) XRD 图谱。(e) PP膜、(f) FeOOH/aPP膜（插图（5 μm × 5 μm）为 Fe元素的 EDS 元素图）和 (g) IFIP/FeOOH/aPP 膜（插图（2 μm × 2 μm）为放大的 SEM 图像，其中纳米棒形态以蓝色标记。）的 SEM 形貌图像。

图2展示了在 IFIP 工艺中，利用超声波雾化装置产生有机相微滴使酰氯单体和胺单体的聚合反应在连续的水油界面处平稳进行。FeOOH纳米棒的存在极大增强了基材的亲水性和致密性，从而形成没有褶皱结构的 22.5 nm 厚的聚酰胺层。FeOOH中间层的引入将原始IFIP/aPP 膜的渗透性提高了3.6 倍，IFIP/FeOOH/aPP膜的纯水渗透性达到36.4 L·m^-2·h^-1·bar^-1。此外，耐压性测试表明，在15 bar的高压下，IFIP/FeOOH/aPP膜仍能维持96%以上的高脱盐率。与原始膜相比，具有FeOOH中间层的膜的拉伸强度和杨氏模量均显著增加。

图 2 (a) IFIP/FeOOH/aPP 膜的横截面 TEM 图。(b) 制备 i-TFC膜的原位自由界面聚合 (IFIP) 示意图。(c) IFIP/aPP 和 IFIP/FeOOH/aPP 膜的耐压性测试。(d) aPP、FeOOH/aPP、IFIP/aPP和 IFIP/FeOOH/aPP 膜的杨氏模量。

该纳米棒中间层策略的普适性也通过三种不同的疏水基膜（PP、PE 和 PTFE）得到验证 (图3a-e)。由此制得的三种i-TFC 膜对 Na₂SO₄ 的截留率均超过 98%。其中，i-TFC-PE 膜表现出最高的透水性，高达 48.94 L·m^-2·h^-1·bar^-1，这归因于PE支撑层本身较高的孔隙率和较大的孔径。该工作制备的i-TFC 膜与目前其他报道的NF膜相比，具有显著的透水性优势。因此，这项工作将为研发用于分子分离的高性能纳滤膜提供新的技术思路。