超透性抗菌聚酰胺復合膜

清潔水短缺正威脅著全球20多億人的健康。隨著人口的不斷增加,這一狀況將進一步惡化。高滲透通量膜在解決能源和水危機方面發揮著重要的作用。聚酰胺薄膜復合膜(TFCMs)基準材料在水處理膜分離市場中占主導地位。由於水的傳輸速率與膜的厚度成反比,所以這種傳統膜表現出中等的水滲透通量。超薄膜可以提高水的滲透通量,但是存在制備工藝復雜和成本高等缺點。目前通過簡單的方法制得超高滲透通量的較厚薄膜仍然具有挑戰性。

北京工業大學的安全福和華中科技大學趙強(共同通訊作者)等通過簡單的化學改性的方法實現瞭在不降低濾膜厚度的條件下,制得親水性強和水滲透通量超高的凈水膜,為制備高通量膜提供瞭范式轉移。相關研究成果以題“Antibacterial Polyamide Composite Membranes with Unreduced Thickness”發表在《Advanced Materials》上。

超透性抗菌聚酰胺復合膜

該工作中,利用廉價的四(羥甲基)氯化磷(THPC)直接改性聚酰胺復合膜。雖然改性膜的厚度增加瞭40nm,但是水滲透性提高瞭6倍,滲透通量比現有聚合物納濾膜高一個數量級。同時,在錯流條件下,該改性膜表現出良好的脫鹽性和抗菌性。THPC改性聚酰胺膜不僅改善瞭膜的親水性,還在膜中創建瞭可無阻礙傳輸水的通道。

圖文解析

超高通量濾膜(PIP-TMCTFCM)制備方法是在聚砜支撐膜上進行瞭哌嗪(PIP)與均苯三甲酰氯(TMC)的界面聚合反應,制得PIP-TMC TFCM。將THPC水溶液(5 wt%)倒入新鮮制備的PIP-TMC TFCM(未幹燥)中,並保持10分鐘。通過FTIR和XPS等方式證實瞭羥基和酰基發生瞭酯化反應(圖1)。

超透性抗菌聚酰胺復合膜
圖1 a)THPC改性原始聚酰胺膜(PIP-TMC TFCM)的示意圖;b)玻璃燒杯中與THPC水溶液接觸的TMC/己烷溶液的光學照片;c)ATR-FTIR光譜,d)O 1s的XPS圖,e,f)SEM圖;g)PIP-TMC和THPC-5 TFCMs的ζ勢,水接觸角(WCA)和PIP-的表面自由能(SFE)。分別是TMC和THPC-5 TFCM。

此外,THPC-5 TFCM 對二價陰離子的截留率高,對Na2SO4和MgSO4的截留率分別為98.4%和93.8%。此外,THPC-5膜對離子選擇性(Cl/SO42-)的計算值為48,這是聚酰胺TFCMs的最高值之一。當Na2SO4濃度從1000 ppm增加到7000 ppm,THPC-5 TFCM對鹽的截留率仍然高於 97.5%,表明THPC-5TFCM也適用於濃鹽溶液(圖2)。

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圖2.不同鹽濃度下PIP-TMC和THPC-5膜的a)水通量和b)截留率;c)在6 bar膜壓差下,Na2SO4濃度對THPC-5 TFCM通量和截留率的影響;d)THPC-5 TFCM與最新的納濾膜的性能比較。

濃度分別為1和3 wt%的THPC改性PIP-TMC 制得瞭THPC-1TFCM和THPC-3 TFCM。相比未改性前的膜,改性後膜的水通量和自由體積均增大,且隨著THPC濃度的增加,改性膜的水通量和自由體積增加,這得益於相對較大的磷原子半徑和THPC分子獨特的四面體結構,它們均會增加自由體積腔。此外,THPC分子具有出色的水結合能力,可增加膜的親水性。總的來說,THPC改性盡管增加瞭膜的厚度,但創建瞭額外的分子通道,可無阻礙地傳輸水(圖3)。

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圖3. a)THPC濃度對THPC改性膜的通量和Na2SO4截留率的影響;b,c)以正電子入射正電子能量分別為0.3 keV(16 nm深度)和1 keV(67 nm深度)時,膜的o-Ps壽命和自由體積特性;d)THPC修改後的TFCM結構示意圖;e)特定分子修飾的PIP-TMC膜的納濾性能。

通過循環兩次處理分別含有BSA和海藻酸鈉水時,該膜的通量恢復瞭高於85%;循環處理武漢東湖水兩個周期後,通量恢復率高達92%。此外,腸桿菌(革蘭氏陰性)和金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性)與THPC-5膜接觸2小時後被有效殺死,表明THPC-5 TFCM優異的抗污性和抗菌性。

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圖4. a)分別用含BSA和藻酸鈉(0.1 wt%)污垢測試THPC-5 TFCM隨時間變化的流量;b,c)培養24小時後金黃色葡萄球菌和大腸桿菌後培養皿的活力和光學圖像(左:PIP-TMC TFCM,右:THPC-5 TFCM)。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001383

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