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  基于聚酰胺膜的反滲透技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海水淡化的有效途徑之一。在聚酰胺膜中引入沸石分子篩、介孔二氧化硅、碳納米管等納米材料，可以提高復(fù)合膜的水通量。由于常見納米材料與聚合物基質(zhì)之間的界面相容性較差，在提高水通量的同時(shí)復(fù)合膜分離選擇性會(huì)顯著降低。針對(duì)這一問題，近期中科院青島能源所江河清研究員團(tuán)隊(duì)利用胺基功能化的介孔聚合物球作為填充材料，通過調(diào)控介孔聚合物與聚酰胺基質(zhì)之間的界面微結(jié)構(gòu)，開發(fā)出具有較高水通量和高截鹽率的納米復(fù)合膜。

  首先，該課題組采用軟模板法合成了介孔聚合物小球（NMPS），其尺寸為66±5 nm，具有良好的單分散性、豐富的胺基功能基團(tuán)以及較大的介孔孔徑5.6 nm。這些特點(diǎn)為NMPS在聚合物膜中的分散以及提高復(fù)合膜性能奠定了基礎(chǔ)。

圖1.高性能納米復(fù)合膜設(shè)計(jì)示意圖

圖2.介孔聚合物小球的表征;(a,b) TEM圖, (c) NMPS溶膠照片, (d) NMPS尺寸分布圖, (d) N2吸脫附等溫線及孔徑分布圖

  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用界面聚合方法制備了介孔聚合物球（NMPS）摻雜的聚酰胺納米復(fù)合膜，并通過改變NMPS摻雜量，調(diào)控其與聚酰胺基質(zhì)間的界面微結(jié)構(gòu)。在16 bar測(cè)試壓力下，考察納米復(fù)合膜對(duì)NaCl溶液的分離性能，結(jié)果表明最佳的復(fù)合膜水通量達(dá)55 L m^-2 h^-1，比純聚酰胺膜提高了62%，同時(shí)其截留率達(dá)98.7%，與聚酰胺膜持平。通過利用NMPS的豐富的介孔結(jié)構(gòu)和胺基功能基團(tuán)的優(yōu)勢(shì)，有效地克服了復(fù)合膜中通量和截留率之間的“trade-off”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了二者同時(shí)提高的目標(biāo)。

圖3.納米復(fù)合膜分離性能圖

  此外，該團(tuán)隊(duì)還探究了納米復(fù)合膜的分離機(jī)理。納米復(fù)合膜的分離性能主要取決于聚合物連續(xù)相和納米材料之間的相互作用關(guān)系。一定量的NMPS能均勻地分散于聚酰胺基質(zhì)中且與聚合物間存在良好的界面相容性，在復(fù)合膜中引入介孔通道的同時(shí)保證分離層的完整性，因此能同時(shí)提高水通量和截留率；當(dāng)大量的NMPS被摻入膜中，納米材料首先形成較大的聚集體，因此其在聚合物基質(zhì)中的分散性受限，同時(shí)會(huì)引入一些不可控的缺陷，造成截留率下降，膜性能衰減。這項(xiàng)研究工作為高性能納米復(fù)合膜的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了一種新的思路。

圖4.納米復(fù)合膜分離機(jī)理探究

  相關(guān)成果發(fā)表在《Journal of Membrane Science》(J. Membr. Sci., DOI: 10.1016/j.memsci.2019.117783)期刊上。論文的第一作者為中科院青島生物能源與過程研究所博士生宋向菊，通訊作者為江河清研究員和王光輝研究員。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2019.117783