据中国化学工程学报微信公众平台2017年10月17日讯 膜分离作为一种新型、节能、环保的技术，在海水淡化、饮用水净化、废水处理和工业物质分离、资源回收等领域中扮演着越来越重要的角色。膜分离工业被誉为“最具发展潜力”的行业之一。纳滤作为一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，膜孔径为0.5～2nm且通常具有一定的荷电性，可对不同价态无机盐和分子量为100～1000Da的有机物分子进行有效分离，具有操作压力低、无化学反应、无相变等优点，已成为当今膜分离技术研究热点之一。探索高效可控的纳滤膜材料及其成膜方法，开发具有高效分离、服役稳定且耐污染综合性能优异的纳滤膜，对膜技术在水资源、能源物质的再生利用，工业过程的高效分离，产业转型升级等方面将起到重要的推动作用。
近年来，随着纳米技术的迅速发展，将一些功能性无机纳米材料原位引入聚合物膜内以提高膜的渗透选择性和耐污染稳定性等已发展成为一个重要的研究方向。通常将由无机分散相填充于聚合物连续相中制备的复合膜称为混合基质膜（Mixed-matrix membranes，MMMs）。混合基质膜最早于20世纪80年代成功用于气体分离领域，现已逐渐拓展到应用于水或有机溶剂体系的纳滤分离领域。Jeong等首次将NaA型沸石分子筛引入聚酰胺膜内，制备了纳米杂化聚酰胺膜。金属及其氧化物纳米颗粒如金属银、二氧化钛和二氧化硅等也被作为添加改性材料，制备纳米混合基质纳滤膜。无机纳米粒子具有特殊的孔道结构、高比表面积、良好的热稳定性和力学强度，将其引入聚合物基膜中，可以提高膜的渗透性、耐污染性和稳定性。制备混合基质膜时，解决无机纳米材料自身的分散性及其与聚合物基膜间的相容性问题是关键，目前已有大量研究工作集中在解决无机纳米材料在铸膜液中及所得聚合物基膜内的分散性，改进膜制备方法和优化制膜条件等方面。碳纳米管（CNT）和氧化石墨烯（GO）作为一维/二维纳米材料具有独特的管状/片层状结构，水分子能够通过CNT的内层管径或GO层间的空隙自由体积，而较大尺寸的水合盐离子则不能通过，被认为是水处理混合基质膜的理想填充材料，然而CNT在聚合物基膜中的定向排列和GO片层间的结构稳定性还有待于进一步改善。另外，一些新型纳米材料被证明具有极高的水/溶剂传输性能，如仿生水通道蛋白、金属有机骨架配合物和有机纳米材料等，这些新型纳米材料有望用于制备新一代混合基质纳滤膜。
混合基质纳滤膜的制备已取得较大进步，但在设计、合成具有快速传输选择性“通道”结构纳米材料的制备方法和过程仍需进一步简化、可控；改进纳米材料引入基膜的添加方式及成膜方法，使功能性纳米材料能够高负载量地良好分散于基膜之中；在机理研究方面，尽管纳滤膜传质机理和耐污染机制的研究报道很多，但并未能形成统一的认识，尤其针对混合基质纳滤膜，还没有形成其自身适用的理论模型。采用新型的测试手段和数学模拟工具，从微观结构、传质分离过程两方面研究不同的溶质和溶剂在纳滤膜中的传递和黏附行为，以深入认识纳滤膜的传质和耐污染机理；研究膜中具有超快分离选择性的“通道”效应产生的条件，为制备综合性能优异的纳滤膜提供理论指导。
图表导读
| Fig. 1. Overview ofnanofiltration membranes based on various nanomaterials with improved permeability, selectivity, stability and antifouling properties. |
![Fig.2. Schematics showing the synthesis of an Aquaporin-based biomimetic membranes (ABM) (a) and the conceptual model of ABM (b). Reprinted with permission from Ref.[98]. Copy right (2012) Elsevier](/d/file/xingyedongtai/kejidongtai/2017-11-06/1509943129163699.jpg "Fig.2. Schematics showing the synthesis of an Aquaporin-based biomimetic membranes (ABM) (a) and the conceptual model of ABM (b). Reprinted with permission from Ref.[98]. Copy right (2012) Elsevier")
| Fig.2. Schematics showing the synthesis of an Aquaporin-based biomimetic membranes (ABM) (a) and the conceptual model of ABM (b). Reprinted with permission from Ref.[98]. Copy right (2012) Elsevier |
![Fig.3. Schematic illustration of the interfacial polymerization in the preparation process of the hyperbranchedpolyesteramide composite membrane. Reprinted with permission from Ref.[108]. Copy right (2013) American Chemical Society](/d/file/xingyedongtai/kejidongtai/2017-11-06/1509943129460185.jpg "Fig.3. Schematic illustration of the interfacial polymerization in the preparation process of the hyperbranchedpolyesteramide composite membrane. Reprinted with permission from Ref.[108]. Copy right (2013) American Chemical Society")
| Fig.3. Schematic illustration of the interfacial polymerization in the preparation process of the hyperbranchedpolyesteramide composite membrane. Reprinted with permission from Ref.[108]. Copy right (2013) American Chemical Society |
![Fig. 4 (a) Separation performance of TFC, TFC-CMCNa, TFN-PNP, and TFN-ZPNP3 membranes tested with pure water and 1 g L-1 aqueous Na2SO4 and NaCl solutions (pH = 7.0) at 25 oC and 0.6 MPa; (b) comparison of the TFN-ZPNP3 membrane with various polyamide membranes reported in previous studies; (c) schematic illustration of the microstructure and separation performance of the TFN-ZPNP membrane. Reprinted with permission from Ref.[117]. Copy right (2015) Royal Society of Chemistry](/d/file/xingyedongtai/kejidongtai/2017-11-06/1509943129183449.jpg "Fig. 4 (a) Separation performance of TFC, TFC-CMCNa, TFN-PNP, and TFN-ZPNP3 membranes tested with pure water and 1 g L-1 aqueous Na2SO4 and NaCl solutions (pH = 7.0) at 25 oC and 0.6 MPa; (b) comparison of the TFN-ZPNP3 membrane with various polyamide membranes reported in previous studies; (c) schematic illustration of the microstructure and separation performance of the TFN-ZPNP membrane. Reprinted with permission from Ref.[117]. Copy right (2015) Royal Society of Chemistry")
| Fig. 4 (a) Separation performance of TFC, TFC-CMCNa, TFN-PNP, and TFN-ZPNP3 membranes tested with pure water and 1 g L-1 aqueous Na2SO4 and NaCl solutions (pH = 7.0) at 25 oC and 0.6 MPa; (b) comparison of the TFN-ZPNP3 membrane with various polyamide membranes reported in previous studies; (c) schematic illustration of the microstructure and separation performance of the TFN-ZPNP membrane. Reprinted with permission from Ref.[117]. Copy right (2015) Royal Society of Chemistry |
通讯作者介绍
周勇，博士，教授级高工。先后参与完成了国家重点基金项目“有机物体系膜分离及成膜技术”，国家“十五”863科技计划项目“高性能反渗透复合膜关键功能材料研究”，国家“十一五”863科技计划项目“高效抑菌型膜材料及应用技术开发”和浙江省“十五”重大高新技术产业化项目“高性能膜组器技术及其应用产业化”等，成功解决了我国反渗透复合膜组器技术产业化过程中的膜材料、膜和组器制作技术和设备、生产工艺、连续生产质量控制等关键技术，形成了具有自主知识产权的反渗透复合膜组器技术。2010年入选浙江省“新世纪151人才工程”第二层次。 2012年获浙江省自然科学学术奖三等奖（排名1）和中国化工集团公司中国化工专利优秀奖（排名2）。2016年获浙江省科学技术进步一等奖（排名6）。
团队介绍
浙江工业大学膜分离与水科学技术中心为2013年成立的校级直属研究院，高从堦院士担任中心主任。2015年获批建设浙江省“2011协同创新中心”——膜分离与水处理协同创新中心1个，同年与湖州市政府共建湖州研究院1个。中心研究方向主要包括三个：分离膜技术、海水淡化及综合利用技术及饮用水净化、污水和废水处理及资源化技术，并下设四个支撑平台：分离膜制备及产业化、海水淡化及资源化及饮用水净化、污水与废水处理及水再利用、传统产业转型升及清洁生产。
中心汇聚了一批专门从事膜与膜过程研究的高级专业技术人才，其中中国工程院院士1人，教授3人，副教授4人，具有博士学位8人，博导3人，硕导3人；校内兼职研究人员17名，其中教授7人，副教授5人；海外兼职特聘教授8人。中心承担了国家“863”、“973”、国家重点研发计划、国家自然科学基金及省部级项目十余项。中心现有实验室13000余平方，拥有一套完整的压力驱动膜、电驱动膜的小试设备及中试生产线，以及用于膜分离技术应用的工程试验装置。同时，拥有大量的用于膜材料开发、膜应用的大型分析测试仪器，包括场发射扫描电镜、原子力显微镜等大型仪器20余台，固定资产达2000余万元。
