在高从堦院士的带领下,浙江工业大学(ZhejiangUniversityofTechnology)周勇教授级高工和浙江大学(ZhejiangUniversity)张林教授团队近期于JournalofMembraneScience期刊(,,)发表题目为Surfaceengineeringdesignofpolyamidemembranesforenhancedboronremovalinseawaterdesalination的文章。该文章第一作者为王书浩博士,通讯作者为周勇教授级高工和张林教授。
创新性地提出增强海水淡化膜选择性的表面工程策略。
合理设计和重构了选择分离层表面的聚合物属性。
精细调控的海水淡化膜的脱硼率高达95.34%、脱盐率为99.8%。
进一步揭示了基于界面聚合的聚酰胺膜的构效关系和形成机理。
基于界面聚合的聚酰胺(PA)薄膜复合膜是当前最先进的合成海水淡化膜。在过去的半个多世纪中,聚酰胺反渗透膜(RO)已经成功的商用于自来水净化(TWRO),苦咸水脱盐(BWRO)以及海水淡化(SWRO)等。其中,SWRO膜可以去除海水中高达99.8%的盐分,但仍面临海水淡化技术中的巨大挑战之一,即海水脱硼效率低(40-80%)。硼天然的存在于海水中,平均浓度为4.6mg/L,世界卫生组织(WHO)规定饮用水中的硼最大浓度为0.5mg/L。过量的硼摄入会影响植物和农作物的光合作用,危害人类的生殖系统并增加胎儿的畸形。因此,开发具有高脱硼效率的海水淡化膜对发展先进水处理技术具有重要的实际意义。
本研究提出了一种表面工程设计策略用于制备高脱硼海水淡化膜。研究表明,通过控制界面聚合过程中的可控反应动力学过程可以精细的重构覆盖在聚酰胺分离层骨架表面的低聚物的官能团和密度属性(图1)。可调的低聚物属性赋予了整个分离层可控的孔径以及与溶质(硼酸,氯化钠等)的化学相互作用(图2),从而实现了海水淡化膜的高脱硼效率。随后的性能测试表明,在模拟海水(32,mg/LNaCl,5mg/LBoron)中,所设计的两款高脱硼海水淡化膜PA
IPC和PABDSC的脱硼率和脱盐率都远高于传统膜,脱硼率分别为92.16%和95.34%,脱盐率保持在99.8%(图3)。图1.海水淡化膜的制备原理示意图。(A)界面聚合中聚酰胺薄膜的表面工程设计策略,(B)基于反应-扩散过程的单体胺和酰氯的动力学过程,(C)无定型聚酰胺分离层的三维模拟视图。
图2.海水淡化膜的脱硼机理示意图。(A)聚酰胺分离层的海水淡化过程,(B)不同表面工程设计策略的聚酰胺分离层对于硼酸运输的构效关系。
图3.海水淡化膜的分离性能。(A)不同表面工程设计策略的膜对硼的截留率和渗透系数,(B)不同膜在模拟海水中的渗透通量和盐截留率,(C,D)不同IPC和BDSC浓度控制的膜的脱硼性能。
本工作报道的表面工程设计策略不仅为开发高选择性海水淡化膜提供了基本途径,除此之外,合理调节覆盖在分离层骨架表面的低聚物的属性还可能为耐受性和防污性海水淡化膜的设计提供启示。更重要的是,覆盖在膜分离层骨架表面的低聚物对膜构效关系的揭示,也为窥探真实的膜本体结构和完整的界面聚合过程打开了一扇门。
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