基于可控表界面工程的聚合物纳滤膜研究

Thin film composite nanofiltration (NF) membranes occupy a crucial position in drinking water treatment. However, it still remains a big challenge to control the skin layer structure during the membrane fabrication process precisely. This project aims to develop a controlled dopamine- and polyphenol-assisted co-deposition process with functional polymers for novel composite NF membranes. Both the interfacial reactions and surface tension will be monitored and adjusted with a deep insight in the interaction mechanisms of deposition components. The results will elucidate the effects of polymer properties, including charge, molecular weight, chain structure, reactive groups, etc., on the structures and performances of NF membrane. Moreover, nanomaterial-participated co-deposition (such as graphene) and the interfacial mineralization will be applied for novel organic-inorganic composite NF membranes with promoted structures and performances. In summary, we demonstrate a methodology to build novel composite NF membranes with controllable process, structure and performance, involving precise control of deposition dynamics, interfacial polymerization, composite structures, surface charge, skin layer thickness and uniformity, etc., and present a further understanding on the relationship between structure and performance of NF membranes.

薄层复合纳滤膜将成为饮用水深度处理不可或缺的一类聚合物分离膜，但其制备所面临的最大挑战在于如何实现成膜过程尤其是选择性皮层构建的有效调控。本课题旨在发展多巴胺及多酚辅助的聚合物共沉积方法，用于新型复合纳滤膜表面皮层的构建；在揭示共沉积体系中组份间的相互作用机制的基础上，实现其化学反应进程和表面张力变化的调控，进而建立起支撑超滤膜表面的可控共沉积方法；阐明聚合物性质如荷电性、分子量、链结构、反应性基团等对沉积过程和皮层结构与复合纳滤膜性能的影响规律；利用石墨烯等纳米材料参与的共沉积以及膜表面仿生矿化过程进一步构建有机―无机复合纳滤膜选择性皮层，优化其界面结构；最终实现对沉积速率、界面聚合、表面组成、复合结构、荷电性、皮层厚度及均匀程度等的调控；探索建立沉积过程―分离层结构―纳滤性能的多级调控理论，拓展复合纳滤膜创新制备方法并深化对纳滤膜构效关系的理解，进一步丰富聚合物分离膜表面工程基础研究内涵。

薄层复合纳滤膜将成为饮用水深度处理不可或缺的一类聚合物分离膜材料，但其制备所面临的最大挑战在于如何实现成膜过程尤其是选择性皮层构建的有效调控。经过5年多的深入研究，我们发展了以多巴胺为代表的贻贝仿生共沉积构建薄层复合纳滤膜选择性皮层新方法，阐明了过程调控基本原理、多酚/多胺反应机理、选择性皮层结构与渗透分离性能关系等一系列关键科学问题；实现了基于贻贝仿生涂层诱导膜表面仿生矿化选择性皮层的构建，制备了多种抗污染、耐压、自清洁有机―无机复合纳滤膜；引领了纳米结构中间层调控传统界面聚合的新技术路线，推动了我国高通量与高截留相结合的薄层复合纳滤膜、反渗透膜以及正渗透膜的创新发展。一系列创新研究结果突破了对沉积速率、界面聚合、表面组成、复合结构、荷电性、界面结构、皮层厚度及均匀程度等的有效调控，支撑了“界面工程―分离层结构―纳滤性能”多级调控理论的建立，深化了对纳滤膜构效关系的理解，提升了聚合物分离膜表界面工程学说的内涵，推动了我国高性能薄层复合纳滤膜的产业化，为聚合物分离膜科学发展、水资源高效利用和饮用水深度处理作出了新贡献。相关结果发表学术论文近70篇，获国家发明专利授权9项，出版学术著作1部。高质量培养博士研究生8名、硕士研究生7名，出站博士后2名。