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  由于人口增長和工業(yè)化引起的水資源短缺和污染問題，使全球經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。以高能效和技術(shù)成熟為特征的膜分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海水淡化，飲用水軟化和工業(yè)廢水處理等分離過程中。通常，商業(yè)聚酰胺復(fù)合膜為三層結(jié)構(gòu)，由無紡布、超濾層和聚酰胺致密層組成。其中無紡布和超濾層用作支撐載體，而致密聚酰胺層則賦予膜材料高效的分離特性。然而，目前聚酰胺復(fù)合膜的滲透選擇性由于受致密分離層的本征形貌和結(jié)構(gòu)的限制，在實際應(yīng)用中導(dǎo)致了較高的能耗。

  最近，河南師范大學(xué)遠冰冰博士與深圳大學(xué)高等研究院牛青山教授等人在聚砜基底上設(shè)計了具有非對稱結(jié)構(gòu)的雙層聚酰胺膜。其中下層為樹枝狀聚酰胺大分子多孔層，由樹枝狀聚酰胺胺大分子末端大量的胺基通過重氮化-偶合反應(yīng)在基底表面原位共價自組裝而成。上層為多功能酰氯與胺單體經(jīng)界面聚合反應(yīng)制備的具有有序納米空隙的超薄聚酰胺致密層。進一步地，通過制備多層樹枝狀大分子層來改變基底極性和改變界面聚合反應(yīng)時間可對致密聚酰胺層的形貌進行精準調(diào)控。

圖1（a）芳香族樹枝狀聚酰胺胺大分子多孔層形成過程（b）界面聚合法制備超薄聚酰胺膜過程。

圖2 非對稱聚酰胺膜的（a）表面TEM圖像（b）橫截面SEM圖像

  所制備的聚酰胺膜表現(xiàn)出優(yōu)異的水滲透性（約270kg·m^?2· h^?1·MPa^-1），與傳統(tǒng)聚酰胺膜相比提升了約4倍，同時保證了對硫酸鎂的高截留率（約99.1%）。該團隊將滲透性的增加歸因于以下因素：（1）三維剛性的樹枝狀大分子具有豐富的分子內(nèi)孔和大量的親水端基，這使得原位共價自組裝后的基底的純水通量提高，促進了水分子的傳輸；（2）顯著變薄的聚酰胺致密層降低了水的傳輸阻力；（3）聚酰胺致密層表面大量的高度均勻有序的中空納米帶結(jié)構(gòu)可以增加有效膜面積，從而進一步提高水滲透性。另外，相關(guān)測試結(jié)果也表明該新型聚酰胺膜具有良好的操作穩(wěn)定性和出色的離子選擇性。

圖3 非對稱聚酰胺膜對于（a）MgSO₄（b）Na₂SO₄的水滲透性與水-鹽滲透選擇性關(guān)系圖

  總之，通過設(shè)計調(diào)節(jié)納濾膜材料的結(jié)構(gòu)和形貌突破了傳統(tǒng)的trade-off上限。這項工作將會激發(fā)更多的關(guān)于薄層復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，并應(yīng)用于高性能反滲透膜、有機溶劑納濾膜和滲透汽化膜等膜材料的制備過程。

  這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，通訊作者是遠冰冰博士和牛青山教授。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19809-3