高性能聚酰胺皮層制備膜的研究進(jìn)展

高性能聚酰胺皮層制備膜的研究進(jìn)展

21世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)重問題之一是水體嚴(yán)重不足。傳統(tǒng)的界面聚合反應(yīng)具有以下特征：(1)聚合反應(yīng)速率快（主體反應(yīng)在數(shù)秒之內(nèi)即完成）近年來，膜領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者基于電子顯微鏡技術(shù)對聚酰胺分離層的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較多的深入探索，研究結(jié)果均表明其中存在大量的納米空腔目前，對超薄皮層反滲透復(fù)合膜的研究主要集中于界面聚合控制技術(shù)、新成膜技術(shù)的開發(fā)及新型材料的應(yīng)用等方面1低單濃度界面聚合反應(yīng)間苯二胺（MPD）和均苯三甲基酰氯（TMC）的聚合反應(yīng)速率主要與單體擴(kuò)散速率有關(guān)Karan等2mlbl調(diào)控聚酰胺皮質(zhì)厚度的優(yōu)勢為了突破界面聚合難以控制聚酰胺微納結(jié)構(gòu)的局限性，研究者們嘗試采用mLBL技術(shù)作為調(diào)控聚酰胺皮層厚度及粗糙度的制備方法Qian等mLBL技術(shù)具有精確控制反應(yīng)單體的沉積量、可獨(dú)立控制聚酰胺皮層厚度等優(yōu)點(diǎn)，能夠突破常規(guī)制備工藝難以控制皮層厚度、粗糙度等的局限性3納米尺度的測量由于靜電打印技術(shù)能夠?qū)⒁旱畏稚⒅良{米尺寸大小，可實(shí)現(xiàn)定量控制界面聚合反應(yīng)過程Ma等靜電打印技術(shù)利用靜電排斥的原理將單體顆粒分散為納米級別的液滴，因而理論上能在納米尺度上精確控制成膜的尺寸、厚度以及交聯(lián)度。與mLBL方法相比，靜電打印技術(shù)制備反滲透復(fù)合膜效率更高，更有利于擴(kuò)大生產(chǎn)，且由于反應(yīng)量可實(shí)現(xiàn)精確控制，耗用原材料量較少，基本不產(chǎn)生廢液，因此有較好的發(fā)展前景，但不足之處為利用該技術(shù)制備的超薄皮層反滲透復(fù)合膜截鹽率較傳統(tǒng)方法制備的聚酰胺膜差，可能是由于靜電排斥導(dǎo)致單體分布不均，為解決此問題，可能需要進(jìn)行多次循環(huán)靜電噴涂以彌補(bǔ)其缺陷。4基膜界面優(yōu)化技術(shù)通過優(yōu)化反應(yīng)界面的物化性質(zhì)從而調(diào)節(jié)界面聚合反應(yīng)是制備超薄皮層反滲透復(fù)合膜的重要途徑之一。2007年，Messersmith等此外，Liu等另一方面，由于界面聚合反應(yīng)發(fā)生在基膜表面，因而改變基膜表面的物化特性是有效改善界面聚合過程的另一重要途徑目前界面優(yōu)化技術(shù)仍是制備超薄皮層反滲透復(fù)合膜的主要方法。通過優(yōu)化反應(yīng)界面以及基膜表面的物化特性可進(jìn)一步調(diào)節(jié)胺單體的濃度、擴(kuò)散速度、聚合反應(yīng)速度、水油界面混溶性以及基膜界面相容性，從而實(shí)現(xiàn)對超薄聚酰胺層的厚度、交聯(lián)度、復(fù)合強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)。相對于其他超薄皮層反滲透復(fù)合膜的制備技術(shù)，其工藝操作相對簡單，因此可放大生產(chǎn)的前景較好，但目前關(guān)于界面聚合反應(yīng)體系的變化對工藝控制和復(fù)合膜長期性能的影響缺少相關(guān)研究結(jié)論，尚需時(shí)間探究以推進(jìn)該技術(shù)發(fā)展。5膜的制備技術(shù)研究隨著新材料的發(fā)展，二維材料越來越受到人們的關(guān)注，其可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)維度上將材料尺寸減小到極限的原子層厚度氧化石墨烯（GO）由于其超薄的厚度、良好的二維形貌以及亞納米層間通道，已在一些研究中被應(yīng)用于制備超薄皮層反滲透復(fù)合膜最近，Gravelle等二維材料在近些年得到了迅速的發(fā)展應(yīng)用，如石墨烯及其衍生物、硫化鉬、硫化鎢、沸石等以上內(nèi)容為超薄皮層復(fù)合反滲透膜制備技術(shù)的研究進(jìn)展，其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)在表1中。盡管現(xiàn)階段超薄皮層反滲透復(fù)合膜距離工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于海水淡化、污水處理等領(lǐng)域仍有一定的距離。相信隨著膜科學(xué)技術(shù)、新型膜材料等的繼續(xù)發(fā)展，超薄膜制備方法的不斷完善以及對反滲透膜滲透機(jī)理和過程的進(jìn)一步探討，未來關(guān)于超薄皮層反滲透復(fù)合膜的研究將取得更大的進(jìn)展。6有待解決的問題經(jīng)過三十多年的發(fā)展，反滲透復(fù)合膜的性能得到了極大提升，但研發(fā)高通量反滲透復(fù)合膜依然是分離膜領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一,超薄聚酰胺皮層反滲透復(fù)合膜的研究為進(jìn)一步提高反滲透膜的水通量提供了非常重要的思路。傳統(tǒng)的界面聚合方法難以實(shí)現(xiàn)高精度控制分離層厚度，因此開發(fā)新技術(shù)制備超薄皮層反滲透復(fù)合膜一直是膜分離領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。另一方面，雖然超薄皮層反滲透復(fù)合膜的研發(fā)已取得一定的進(jìn)展，但仍存在許多值得深入探究的問題。(1）目前大量研究聚焦降低聚酰胺分離層的厚度以獲得高通量，但由于存在空腔、結(jié)節(jié)狀等粗糙結(jié)構(gòu)，分離層的表觀厚度和本征厚度并不一致，尤其是聚酰胺有效分離層，因此首先在行業(yè)內(nèi)亟需形成科學(xué)統(tǒng)一的聚酰胺層厚度的表征方法。(2）聚酰胺分離層物化性質(zhì)和反滲透膜性能間的關(guān)系較為復(fù)雜，缺乏系統(tǒng)機(jī)理性研究，仍需進(jìn)一步深入探索，諸如除聚酰胺層表面粗糙度和厚度之外，其他的物化性質(zhì)是否會對水和溶質(zhì)的滲透性產(chǎn)生影響，例如聚酰胺表層內(nèi)突起的互連性、聚酰胺層的親水性、球狀結(jié)節(jié)的脫水變形情況、支撐層載體的表面孔隙率等。因此，應(yīng)避免一味尋求降低聚酰胺層厚度以期獲得高通量性能的思路，而應(yīng)建立詳細(xì)的聚酰胺層的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，探究膜表面物化結(jié)構(gòu)與膜性能之間的本征關(guān)聯(lián)來指導(dǎo)高性能反滲透膜的研發(fā)。(3）目前的超薄皮層反滲透復(fù)合膜制備方法對工藝要求較高，與商業(yè)生產(chǎn)的反滲透膜的成熟生產(chǎn)方式尚有一定的距離，因此有必要對工藝方法、新型膜材料的選用等進(jìn)行改進(jìn)。(4）缺少超薄皮層反滲透復(fù)合膜對實(shí)際水處理系統(tǒng)長期運(yùn)行的