含无机纳米水通道反渗透复合膜的结构设计与制备

反渗透膜作为反渗透技术的核心，随着反渗透应用领域的扩展，现有反渗透膜也将面临着新的挑战。本项目以具有水通道的高通量反渗透膜为研究目标，从具有水扩散孔道的纳米分子筛晶体和碳纳米管出发，首先尝试在界面聚合反应相中添加这两种纳米颗粒，考察添加方法、种类等对膜结构与性能的影响；再利用化学、物理等手段对碳纳米管、分子筛等进行改性和修饰，使这些纳米无机颗粒能很好地分散于水或有机相中，并带有可与酰氯或胺基发生反应的基团，将其添加到界面聚合反应相中制得无机/聚合物相界面相容性良好的均相反渗透复合膜；最后，从分子筛和碳纳米管及聚合物膜界面性质着手，使其在膜内实现定向排列，获得真正具有水通道的反渗透膜。同时，利用各种表征手段对无机颗粒和膜进行表征，获得含无机纳米颗粒界面聚合成膜机理；将不同价态盐离子水溶液的反渗透性能与分子模拟结果结合探明该类膜的分离机理。通过上述研究为新型反渗透膜的发展提供新思路和理论基础。

本研究以高通量反渗透膜为研究目标，通过在界面聚合反应相中添加分子筛纳米晶体和CNT，建立了高性能反渗透纳米复合膜的制备方法，探明了含无机纳米颗粒界面聚合成膜机理和分离机理。主要研究成果包括：1. 针对纳米多孔介质在界面聚合制膜过程中的作用与行为尚不明确的问题，设计在界面聚合的不同反应相添加NaA型纳米分子筛，研究了纳米颗粒与界面聚合单体的作用行为，比较两种添加方式所成膜的形貌和结构，结合分离性能的差异，探明了反渗透纳米复合膜的成膜机理。工作发表于RSC Adv, 2013, 3: 8203和Des. Water Treat., 2011, 34:6上，审稿人认为我们的结果“对构建高性能反渗透复合膜非常有用”。2. NaA分子筛的引入使得反渗透膜对酸与多价阳离子料液敏感，限制了其在海水脱盐中的应用。针对该问题，筛选了化学稳性强且有适宜孔道的Silicalite-1型分子筛作为纳米水通道。研究结果表明，Silicalite-1复合分子筛膜比NaA型复合膜具有更高的膜通量，酸与多价阳离子耐受性也有明显增强，更适合海水淡化体系。成果发表在J Mater Chem A, 2013, 1: 11343上，两名审稿人评价我们的工作“非常有趣”，“非常系统”。3. 针对原始碳纳米管易缠绕团聚这一问题，本项目研究了多种表面化学改性方法，对碳纳米管管壁进行表面修饰，提高了碳纳米管的分散性，从而制备了含改性碳纳米管/聚酰胺反渗透复合膜。结果表明，膜的通量有明显提高，并且含改性碳纳米管的反渗透膜具有一定的耐污染性和耐氧化性质。工作发表在J. Membr. Sci.，2014，450：249上。审稿人认为“这是个非常好的工作”，“可以直接接受”。4. CNT在膜内的定向排列是发挥其水通道作用的关键，本项目首次提出了热压结合剥离的方法，通过宏观的物理操作，实现了微观尺度碳纳米管在聚合物基底上的定向排列，并制备出包含定向CNT的复合膜。成果发表在Scientific Reports，2013，3：3480。5.针对无机纳米颗粒与聚酰胺基质间存在界面相容性的问题，通过对无机纳米颗粒进行表面可反应功能化改性，使纳米颗粒参与到界面聚合反应中，消除了界面效应，研究结果发表在Des. Water Treat., 2011, 34:19上。本项目成果共发表SCI论文12篇，EI论文2篇，授权发明专利3项。