新膜材料突破 | 新型聚酯膜挑战聚酰胺膜，三大性能更具优势

该成果近期发布在《科学》上。该成果由南京理工大学张轩教授、东北师范大学环境学院霍明昕、王宪泽团队、美国工程院院士Menachem Elimelech教授(耶鲁大学)共同完成。

海水淡化作为唯一能从源头上实现淡水资源开源性增量的技术，是解决全球水资源短缺问题的首要选择，也是重塑我国“水安全”规划的重要组成部分。

目前，主流商业海水淡化膜的类型是复合聚酰胺薄膜（TFC-PA），其中美国杜邦公司、海德能公司、日本东丽等公司的产品占据全球市场绝大多数份额。

近半个世纪以来，薄膜复合反渗透膜一直是海水淡化和水净化的黄金标准技术。聚酰胺薄膜复合反渗透（TFC-RO）膜因其优异的分离效率已成为海水淡化和废水回用的首选技术。

这些膜通过界面聚合法制备，但此法会造成膜表面粗糙，易吸附污染物。尽管氧化剂可减少生物污染，但聚酰胺膜在氯存在下易受损。

因此，工业水处理需通过昂贵的预处理步骤（如混凝、添加防结垢剂、消毒和除氯）来保护膜。近期尽管出现了耐污染和耐氯膜，但其淡化性能不如聚酰胺膜。

一种特例是在PES基材上形成的聚酯选择性层，显示出良好的耐氯性和淡化能力，但在pH 8.0以上易水解。开发能避免预处理的坚韧膜将显著降低淡化成本和环境影响。

为了解决这些问题，南理工张轩教授研究团队于2014年开始布局反渗透膜领域的材料革新并开展了大量应用基础研究，并将目光锁定于聚酯分离膜材料体系，持续开展了结构创制与技术革新。

最终，研究人员们设计出了这样一种聚酯薄膜复合反渗透膜（DHMBA），具有很强的透水性，对氯化钠和硼有很高的抵制作用，并且完全耐氯。与聚酰胺膜相比，超光滑、低能耗的膜表面还能防止污垢和矿物结垢。

这些膜通过进一步优化水-盐选择性，为大大减少海水淡化的预处理步骤提供了一条途径，从而对聚酰胺膜构成越来越大的挑战。

此外，DHMBA型聚酯反渗透膜沿用了现有商用膜的生产工艺，提升了规模化生产的可行性，这对反渗透行业的发展具有里程碑意义。

新膜材料有哪些强化性能？

研究人员对制备的DHMBA膜进行了表征，确认了其表面无缺陷且具有超过92%的交联密度，表明形成了稳定的聚酯结构。

通过扫描电子显微镜和原子力显微镜观察，发现膜表面平滑，粗糙度低于传统聚酰胺膜。

原子探针和其他技术进一步证实了膜的均匀性和适宜的厚度。与市面上的商业膜相比，DHMBA膜在淡化性能上表现更优，尤其是在盐排斥率和水通量方面。

此外，它在去除硼方面的表现优于当前技术，显示出在不同条件下保持高去除率的能力，这可能与其特有的化学和电荷特性有关。

研究人员还对DHMBA和SW30膜进行了氯稳定性测试。与以往研究相符，SW30的聚酰胺基膜在所有pH条件下暴露于活性氯时性能迅速下降，尤其是在酸性条件下由于HOCl物种的直接侵蚀作用。

相反，DHMBA膜显示出卓越的抗氧化性，原因是其结构上特定位置的取代基阻止了直接的氯化反应。

尤其是在pH为0的酸性条件下，DHMBA膜保持了稳定的脱盐性能，DFT计算和XPS结果支持这一结论，表明其对芳香族取代反应的抵抗力。

在中性pH条件下，DHMBA膜能在长达2000小时的测试中保持稳定性，即使在高达9.0的pH值下也能承受极高浓度的游离氯暴露，展现了其出色的耐碱性。

研究人员对聚酯膜和SW30膜处理无机（矿物）和有机污染物的能力进行了比较。

在使用模型石膏溶液和模拟海水测试时，聚酰胺基SW30膜的水通量迅速下降，而聚酯膜在24小时的操作中性能基本不变。

通过扫描电子显微镜观察，可以看到DHMBA膜在海水淡化测试后表面保持近乎初始状态，而SW30膜表面则形成了晶体或聚集体。

同样，在处理含有模拟有机污染物（如海藻酸钠和腐植酸）的盐水时，DHMBA膜相比于SW30膜，其水通量降低程度微乎其微。FE-SEM图像揭示，与SW30膜表面形成的厚密滤饼相比，DHMBA膜表面的污染累积较轻。

DHMBA膜的这些抗污染和抗粘连能力可能归因于其超光滑、低能量和低电荷的表面特性。

实际海水测试和定期氯处理的条件下，DHMBA膜展现出卓越的稳定性，15天后水通量仅降低2%，强调了其在现实应用中的潜力。

文章来源：中国新闻网、高分子科学前沿、南京日报网、高性能膜材料编辑整理