傳統(tǒng)納濾膜的性能受到滲透性和選擇性之間平衡關(guān)系的限制，為了突破這一瓶頸，通過控制界面反應(yīng)條件來設(shè)計褶皺紋理結(jié)構(gòu)納濾膜。表面形態(tài)對納濾膜的性能有顯著影響，粗糙的表面可以提供更有效的透水區(qū)域，從而使膜具有更強的滲透能力。然而，由于界面聚合反應(yīng)具有自抑制性，膜制備過程中的精確表面形態(tài)控制仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。鑒于此，鄭州大學(xué)張亞濤教授和朱軍勇博士等人提出納米尺度“根狀”結(jié)構(gòu)的納濾膜，在水凈化方面具有重要的應(yīng)用價值。該成果以題為”Root-like Polyamide Membranes with Fast Water Transport forHigh-performance Nanofiltration”發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
首先，匕首狀結(jié)構(gòu)的ZIF-L納米片由于其獨特的2D結(jié)構(gòu)、對聚合物的優(yōu)越親和力以及在酸性條件下易于去除等優(yōu)點被選做為犧牲模板。更重要的是，ZIF-L納米顆粒通過吸附一定量的水相單體進而減緩界面聚合反應(yīng)中二胺的擴散速率，使聚酰胺層的交聯(lián)度相對較低。此外，這種犧牲納米層的去除，有利于制備超薄、粗糙度較大的聚酰胺膜。
其次，聚乙烯醇(PVA)作為水相添加劑可以進一步促進粗糙結(jié)構(gòu)的形成。PVA分子能夠與PIP單體形成氫鍵作用，增加了溶液的粘度，進一步降低了PIP的擴散速率。ZIF-L和PVA的存在使得體系在擴散系數(shù)上表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)牟町?，?dǎo)致擴散驅(qū)動過程的不穩(wěn)定性，并產(chǎn)生納米尺度的皺紋結(jié)構(gòu)。ZIF-L納米顆粒的去除并不影響聚酰胺層原有的形貌。膜表面形成的根狀結(jié)構(gòu)為水分子的運輸提供了更快速的納米通道。
作者將根狀納濾膜具有優(yōu)異的滲透性的機理解釋為：由于酸處理導(dǎo)致部分氨基水解，形成相對疏松的聚酰胺層結(jié)構(gòu)。此外，ZIF-L的相對疏水特性和較小的孔徑使得水分子不易通過。成功去除ZIF-L模板后，聚酰胺層內(nèi)形成內(nèi)腔，提供了額外的水傳輸通道。更重要的是，酸處理后膜表面的粗糙度顯著增加，大大提高了膜的表面積，潛在地促進了聚酰胺納濾膜滲透性的增強。此外，根狀聚酰胺層變薄有效降低傳質(zhì)阻力，從而更有利于提高滲透性。
總結(jié)：作者通過界面聚合法制備了具有根狀結(jié)構(gòu)的高性能聚酰胺納濾膜。為了促進褶皺狀聚酰胺層的形成，二維ZIF-L納米顆粒預(yù)先負載在PAN膜上，以延緩IP反應(yīng)過程中的PIP擴散速率。此外，PVA被加入水相中，與PIP分子通過氫鍵結(jié)合，進一步限制了PIP向有機界面的擴散，從而導(dǎo)致擴散驅(qū)動的不穩(wěn)定性。去除ZIF-L模板后，膜的表面積和親水性增加，同時聚酰胺層厚度和表面交聯(lián)度降低。實驗證明，所制備的根狀納濾膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的傳輸性能，即具有高的透水性(48.9 L m-2 h-1 bar-1)和鹽截留率(對Na2SO4的截留率超過93%)。因此，新型根狀納濾膜在實際水處理應(yīng)用中有很大的潛力。
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