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(fā)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。由于水的傳輸速率與膜的厚度成反比，所以這種傳統(tǒng)膜表現(xiàn)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(zhàn)性。
北京工業(yè)大學的安全福和華中科技大學趙強（共同通訊作者）等人通過簡單的化學改性的方法實現(xiàn)了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了范式轉移。相關研究成果以題“Antibacterial?Polyamide Composite Membranes with Unreduced Thickness”發(fā)表在《Advanced Materials》上。
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了40nm，但是水滲透性提高了6倍，滲透通量比現(xiàn)有聚合物納濾膜高一個數(shù)量級。同時，在錯流條件下，該改性膜表現(xiàn)出良好的脫鹽性和抗菌性。THPC改性聚酰胺膜不僅改善了膜的親水性，還在膜中創(chuàng)建了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了哌嗪（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（未干燥）中，并保持10分鐘。通過FTIR和XPS等方式證實了羥基和酰基發(fā)生了酯化反應（圖1）。
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于 97.5％，表明THPC-5TFCM也適用于濃鹽溶液（圖2）。
濃度分別為1和3 wt%的THPC改性PIP-TMC 制得了THPC-1TFCM和THPC-3 TFCM。相比未改性前的膜，改性后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，這得益于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?？偟膩碚f，THPC改性盡管增加了膜的厚度，但創(chuàng)建了額外的分子通道，可無阻礙地傳輸水（圖3）。
通過循環(huán)兩次處理分別含有BSA和海藻酸鈉水時，該膜的通量恢復了高于85%；循環(huán)處理武漢東湖水兩個周期后，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小時后被有效殺死，表明THPC-5 TFCM優(yōu)異的抗污性和抗菌性。
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