深圳大学高等研究院6月24日讯：深圳大学牛青山教授团队和中国石油大学（华东）侯影飞教授近期于Journal of Membrane Science期刊（2022, 653, 120522）发表题目为Thin-film composite membranes with programmable in-plane heterostructure for high degree-of-freedom performance control的文章。该文章第一作者兼通讯作者为蒋驰博士，通讯作者为牛青山教授和侯影飞教授。

研究亮点

按照预设的比例和分布方式将两种分离层结构引入同一复合膜，形成面内异质结构设计

实现了复合膜宏观渗透通量的精确预设

打破了传统分离膜二维各向同性的限制，实现对膜性能空间分布的灵活调控

膜组件内膜渗透性沿程“按需分配”，解决通量失衡问题

文章简介

近年来，高通量聚酰胺复合膜的研发取得了长足发展，但根据应用需求对膜的渗透性进行精准预设仍具挑战性，主要原因在目前复合膜的制备仍依赖经验，缺乏高度可控的结构变量以及明确的膜结构-性能关系。此外，受限于膜组件及膜系统尺度存在的通量失衡问题，膜自身的高通量难以直接转化为膜系统的高分离效率。

针对上述问题，本研究提出一种面内异质结构复合膜，其分离层由至少两种结构组成，且不同结构的占比和分布方式可以进行灵活调控。图1为一种自下而上的异质分离层制备方法：首先利用喷墨打印技术对支撑层表面进行非均质改性（构建图案化单宁酸-铁中间层），随后在其表面进行界面聚合，利用不同区域中水油界面形貌以及单体扩散-反应的差异，将光滑结节结构和粗糙山脊结构按照预设的比例引入同一连续分离层（除形貌外，异质性同样体现在厚度、交联度、亲水性等性质的差异）。

图1 基于喷墨打印技术的异质结构分离膜制备方法

工作详细分析了异质结构的形成机理，并考察了喷墨打印参数-中间层性质-分离层结构-复合膜性能之间的对应关系。结果表明膜渗透通量与分离层中异质结构的比例存在线性关联，由此，以图案化中间层为媒介，通过打印图形的设计以及打印参数（打印饱和度）的设定，可以实现复合膜渗透通量的程序预设与精准调控（图2）。

图2（a）结节-山脊异质结构分离层的AFM图；（b）异质结构复合膜的产水过程示意图；（c）异质结构膜产水通量与中间层打印区域覆盖率的一次拟合关系；（d）异质结构膜产水通量与中间层打印饱和度的二次拟合关系

更为重要的是，异质结构的设计单元可细分到膜内微米尺度区域，因此打破了传统分离膜二维各向同性的限制，可实现对膜性能空间分布的灵活调控（图3a）。进一步为解决通量失衡问题提供了可能：赋予复合膜沿程变化的梯度渗透性，对膜组件内产水通量进行“按需分配”，进而优化水力分布，提高系统产水率，避免污染风险的增加。总之，异质结构分离膜的提出，为膜性能的调控与膜系统的深度优化提供了更高的自由度。

图3（a）分离层中异质结构空间分配比例的程序设计；（b）膜渗透性沿程梯度变化用于调控组件内通量分布

上述研究成果得到了国家自然基金委联合基金（U2006230），深圳市科创委基础研究面上（JCYJ20210324095202008）等项目的资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738822002691