圖一 分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果
微觀結(jié)構(gòu)和形貌
由于無(wú)機(jī)鹽的加入能促使聚合反應(yīng)能在空間分布上均勻發(fā)生，有利于形成在納米尺度上更均勻的聚酰胺選擇層。通過(guò)正電子湮滅壽命能譜分析得到改性后的膜具有更均勻分布的納米孔，而通過(guò)傳統(tǒng)界面聚合制備得到的聚酰胺層內(nèi)的孔徑分布更寬（圖2a-b）。同時(shí)，通過(guò)XPS深度分析可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法制備的中間聚酰胺層的O/N比則在深度分布上呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)變化，而改性膜中間聚酰胺層O/N比在深度分布上變化較小（圖2c），進(jìn)一步證明無(wú)機(jī)鹽的加入能有效地調(diào)控聚酰胺層納米尺度的均質(zhì)性。
圖2 傳統(tǒng)界面聚合和無(wú)機(jī)鹽調(diào)控界面聚合制備聚酰胺層的微觀結(jié)構(gòu)
由于界面聚合反應(yīng)區(qū)域變窄和更少的有效胺單體參與形成聚酰胺層，改性后的聚酰胺層的表觀和真實(shí)厚度變得更薄、表面變得更光滑（圖3）。
圖3 傳統(tǒng)界面聚合和無(wú)機(jī)鹽調(diào)控界面聚合制備聚酰胺層的微觀形貌
分離和抗污染性能
研究者通過(guò)將不同的無(wú)機(jī)鹽（如氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、碳酸氫鈉、碳酸氫銨）分別加入到不同的胺單體溶液中（間苯二胺、哌嗪、聚乙烯亞胺）制備得到不同的聚酰胺復(fù)合膜，并應(yīng)用到正滲透、反滲透、納濾過(guò)程。發(fā)現(xiàn)改性后的膜的水通量/水滲透性得到大幅度提升，同時(shí)反向鹽通量降低或鹽截留率提升，有效地克服了滲透性-選擇性的博弈關(guān)系（圖4a, b, e）。研究者還發(fā)現(xiàn)加入無(wú)機(jī)鹽的種類會(huì)顯著地影響分離性能，為選擇合適的無(wú)機(jī)鹽來(lái)優(yōu)化分離性能做出了理論指導(dǎo)（圖4g-h）。同時(shí)，研究者還發(fā)現(xiàn)改性后的膜由于具有更親水、更光滑的膜表面，因而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗污染性能（圖f）。
圖4傳統(tǒng)界面聚合和無(wú)機(jī)鹽調(diào)控界面聚合制備聚酰胺復(fù)合膜的分離性能和抗污染性能
最后，研究者比較了無(wú)機(jī)鹽改性的聚酰胺復(fù)合膜同文獻(xiàn)報(bào)道的聚酰胺復(fù)合膜和商業(yè)聚酰胺復(fù)合膜的分離性能，證實(shí)了無(wú)機(jī)鹽改性的聚酰胺復(fù)合膜表現(xiàn)出更加優(yōu)異的分離性能。
圖5 分離性能比較
小結(jié)：本文通過(guò)將常用的無(wú)機(jī)鹽加入到水相胺單體溶液中促使胺單體緩慢均勻釋放到有機(jī)相，從而使界面聚合反應(yīng)在反應(yīng)空間內(nèi)均勻發(fā)生，有效地調(diào)控了聚酰胺層的納米尺度均質(zhì)性。相較于傳統(tǒng)界面聚合制備得到的聚酰胺復(fù)合膜，改性后的復(fù)合膜具有更薄、更光滑、更親水、孔徑更均一、結(jié)構(gòu)更均勻的聚酰胺選擇層，從而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的分離性能和抗污染性能。同時(shí)也將此無(wú)機(jī)鹽調(diào)控的界面聚合拓展到了不同的無(wú)機(jī)鹽和胺單體種類上。這一科研成果為調(diào)控聚酰胺復(fù)合膜選擇層的納米尺度均質(zhì)性打開了新的視野，對(duì)于膜科學(xué)和分離領(lǐng)域都有著十分重要的意義。
（注：本文原刊于《高分子科學(xué)前沿》，網(wǎng)頁(yè)鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/cqWd9YGv-zsAExVpNwycCQ）
