该成果以题为"Root-likePolyamideMembraneswithFastWaterTransportforHigh-performanceNanofiltration"发表在JournalofMaterialsChemistryA上,并被选为内底封面(insidebackcover)。
研究背景商业纳滤膜对多价盐和低分子量有机分子有很强的排斥作用，其主要通过界面聚合(IP)技术来制备。尽管IP技术成功商业化，但由于聚合反应速度快速且过程不可逆，精确控制聚酰胺膜的形成非常困难。首先，受孔径分布不均匀的基膜影响，形成的聚酰胺膜通常是相对厚的，这已经成为制备高通量纳滤膜的障碍。除了增加聚酰胺的厚度外，聚酰胺膜的有效表面积是促进水快速传递的另一种有效手段。因此，通过控制界面聚合反应条件来控制膜表面的形态可以产生褶皱的纹理结构，有效渗透面积的增加从而提高了渗透通量。
本篇论文首先，匕首状结构的ZIF-L纳米片由于其独特的2D结构、对聚合物的优越亲和力以及在酸性条件下易于去除等优点被选做为牺牲模板。更重要的是，ZIF-L纳米颗粒通过吸附一定量的水相单体进而减缓界面聚合反应中二胺的扩散速率，使聚酰胺层的交联度相对较低。此外，这种牺牲纳米层的去除，有利于制备超薄、粗糙度较大的聚酰胺膜。其次，聚乙烯醇(PVA)作为水相添加剂可以进一步促进粗糙结构的形成。PVA分子能够与PIP单体形成氢键作用，增加了溶液的粘度，进一步降低了PIP的扩散速率。ZIF-L和PVA的存在使得体系在扩散系数上表现出适当的差异，导致扩散驱动过程的不稳定性，并产生纳米尺度的皱纹结构。ZIF-L纳米颗粒的去除并不影响聚酰胺层原有的形貌。膜表面形成的根状结构为水分子的运输提供了更快速的纳米通道。
图文解读▲
图1.根状聚酰胺膜的形成过程
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图2.根状聚酰胺膜的表面形貌、厚度以及粗糙度
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图3.根状聚酰胺膜的接触角、化学结构与组成
作者将根状纳滤膜具有优异的渗透性的机理解释为：由于酸处理导致部分氨基水解，形成相对疏松的聚酰胺层结构。此外，ZIF-L的相对疏水特性和较小的孔径使得水分子不易通过。成功去除ZIF-L模板后，聚酰胺层内形成内腔，提供了额外的水传输通道。更重要的是，酸处理后膜表面的粗糙度显著增加，大大提高了膜的表面积，潜在地促进了聚酰胺纳滤膜渗透性的增强。此外，根状聚酰胺层变薄有效降低传质阻力，从而更有利于提高渗透性。
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图4.根状聚酰胺膜的性能测试
小结作者通过界面聚合法制备了具有根状结构的高性能聚酰胺纳滤膜。为了促进褶皱状聚酰胺层的形成，二维ZIF-L纳米颗粒预先负载在PAN膜上，以延缓IP反应过程中的PIP扩散速率。此外，PVA被加入水相中，与PIP分子通过氢键结合，进一步限制了PIP向有机界面的扩散，从而导致扩散驱动的不稳定性。去除ZIF-L模板后，膜的表面积和亲水性增加，同时聚酰胺层厚度和表面交联度降低。实验证明，所制备的根状纳滤膜表现出了优异的传输性能，即具有高的透水性(48.9Lm-2h-1bar-1)和盐截留率(对Na2SO4的截留率超过93%)。因此，新型根状纳滤膜在实际水处理应用中有很大的潜力。
论文信息Root-likepolyamidemembraneswithfastwatertransportforhigh-performancenanofiltrationShuangqiaoHan,ZhengWang,ShenzhenCong,JunyongZhu*（*勇，郑州大学）,XiangZhang,YataoZhang*（张亚涛，郑州大学）J.Mater.Chem.A,,8,-