蘇州納米所在高性能納濾膜研究中取得進展

　　納濾是20世紀80年代后期發展起來的一種介于超濾和反滲透之間的新型膜分離技術，其截留分子量在200~2000之間。根據納濾膜表面的電荷以及截留尺寸，納濾膜能夠有效地截留二價及高價離子、染料、有機小分子、抗生素、二糖及多糖類化合物等，因而廣泛應用于食品、化工、醫藥、環保以及冶金等行業。目前，由界面聚合法制備得到的復合納濾膜是商品化納濾膜的主要形式，這種膜由多孔的支撐底膜和復合在支撐膜表面起分離作用的分離層組成，分離層的性質對整個納濾膜的分離性能起到了決定性的作用，分離層厚度越薄，納濾膜的分離通量越高。目前，商品化納濾膜的支撐膜多為高分子超濾膜。超濾膜的表面孔隙率相對較低，導致界面聚合過程中水相單體擴散可能不均勻，難以實現超薄無缺陷分離層的構筑。針對這一挑戰，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員靳健課題組發展了一種利用單壁碳納米管超薄膜替代傳統的超濾膜作為支撐膜，成功實現了厚度僅為12 nm的超薄無缺陷分離層納濾膜，該納濾膜對二價離子的截留率達95%以上，分離通量高達32 Lm-2h-1bar-1，為同期最高值（Small, 2016, 12, 5034-5041）。

　　近期，在上一工作的基礎上，為了進一步提升納濾膜的分離通量，靳健課題組與美國范德堡大學林士弘課題組合作，設計和制備了一種利用納米粒子作為犧牲模板誘導構建的具有大量褶皺結構的超薄分離層納濾膜（如圖1所示）。在這一工作中，研究人員首先將納米顆粒（以ZIF-8為例）沉積在單壁碳納米管膜表面，以此單壁碳納米管/納米粒子復合膜作為支撐襯底，在界面聚合過程中，超薄聚酰胺分離層沿著納米顆粒的外輪廓生成。界面聚合之后，在后處理的過程中，負載于單壁碳納米管膜表面的ZIF-8納米顆粒在水的作用下逐漸消融，進而留下大量的褶皺結構（如圖2所示）。這些褶皺結構有效地提升了超薄分離層的有效過濾面積，降低了水的通過阻力，從而大大提升了納濾膜的分離通量。這一新型的納濾膜在保持對二價離子截留95% 以上的同時，顯著提高了納濾膜的分離通量，達到53 Lm-2h-1bar-1，遠遠超過傳統的納濾膜，為傳統納濾膜的5-8倍（如圖3所示）。對于ZIF-8納米顆粒的水溶解性問題，研究人員通過實驗發現，這一溶解行為主要歸結于ZIF-8納米顆粒在水體中的不穩定性，ZIF-8負載量與后處理所用的水量比例懸殊，進而導致了ZIF-8納米顆粒的完全消融。除了ZIF-8納米顆粒，該方法具有一定的普適性，對于其他微量可溶納米粒子（如ZIF-67、CaCO3等），也可用做犧牲模板誘導褶皺結構的形成。

　　以上工作發表在《自然-通訊》雜志上（Nature Communication, DOI: 10.1038/s41467-018-04467-3），論文第一作者為博士研究生王禎宜，副研究員朱玉長為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家杰出青年科學基金（51625306）、國家自然科學基金重點項目（21433021）和青年科學基金（51603229）等項目的經費支持。

圖1 (a) 設計及制備褶皺結構超薄聚酰胺分離層納濾膜過程示意圖；(b)和(c) 無納米粒子以及有納米粒子所構建的納濾膜其表面形貌AFM照片。

圖2 褶皺結構超薄聚酰胺分離層納濾膜分離層形成過程表征。(a)和(b) 單壁碳納米管膜以及負載有ZIF-8納米顆粒的復合膜表面形貌SEM照片；(c)-(f) 將納濾膜浸入水中不同時間后，納濾膜其表面形貌的變化SEM照片。

圖3 (a) 納米顆粒誘導的褶皺超薄聚酰胺分離層納濾膜對不同鹽離子溶液的截留行為；(b) 與目前文獻中其他納濾膜的分離性能對比圖。