高性能聚酰胺皮层制备膜的研究进展

高性能聚酰胺皮层制备膜的研究进展

21世纪人类面临的最严重问题之一是水体严重不足。传统的界面聚合反应具有以下特征：(1)聚合反应速率快（主体反应在数秒之内即完成）近年来，膜领域内学者基于电子显微镜技术对聚酰胺分离层的微纳结构进行了较多的深入探索，研究结果均表明其中存在大量的纳米空腔目前，对超薄皮层反渗透复合膜的研究主要集中于界面聚合控制技术、新成膜技术的开发及新型材料的应用等方面1低单浓度界面聚合反应间苯二胺（MPD）和均苯三甲基酰氯（TMC）的聚合反应速率主要与单体扩散速率有关Karan等2mlbl调控聚酰胺皮质厚度的优势为了突破界面聚合难以控制聚酰胺微纳结构的局限性，研究者们尝试采用mLBL技术作为调控聚酰胺皮层厚度及粗糙度的制备方法Qian等mLBL技术具有精确控制反应单体的沉积量、可独立控制聚酰胺皮层厚度等优点，能够突破常规制备工艺难以控制皮层厚度、粗糙度等的局限性3纳米尺度的测量由于静电打印技术能够将液滴分散至纳米尺寸大小，可实现定量控制界面聚合反应过程Ma等静电打印技术利用静电排斥的原理将单体颗粒分散为纳米级别的液滴，因而理论上能在纳米尺度上精确控制成膜的尺寸、厚度以及交联度。与mLBL方法相比，静电打印技术制备反渗透复合膜效率更高，更有利于扩大生产，且由于反应量可实现精确控制，耗用原材料量较少，基本不产生废液，因此有较好的发展前景，但不足之处为利用该技术制备的超薄皮层反渗透复合膜截盐率较传统方法制备的聚酰胺膜差，可能是由于静电排斥导致单体分布不均，为解决此问题，可能需要进行多次循环静电喷涂以弥补其缺陷。4基膜界面优化技术通过优化反应界面的物化性质从而调节界面聚合反应是制备超薄皮层反渗透复合膜的重要途径之一。2007年，Messersmith等此外，Liu等另一方面，由于界面聚合反应发生在基膜表面，因而改变基膜表面的物化特性是有效改善界面聚合过程的另一重要途径目前界面优化技术仍是制备超薄皮层反渗透复合膜的主要方法。通过优化反应界面以及基膜表面的物化特性可进一步调节胺单体的浓度、扩散速度、聚合反应速度、水油界面混溶性以及基膜界面相容性，从而实现对超薄聚酰胺层的厚度、交联度、复合强度等关键参数的调节。相对于其他超薄皮层反渗透复合膜的制备技术，其工艺操作相对简单，因此可放大生产的前景较好，但目前关于界面聚合反应体系的变化对工艺控制和复合膜长期性能的影响缺少相关研究结论，尚需时间探究以推进该技术发展。5膜的制备技术研究随着新材料的发展，二维材料越来越受到人们的关注，其可以实现在一个维度上将材料尺寸减小到极限的原子层厚度氧化石墨烯（GO）由于其超薄的厚度、良好的二维形貌以及亚纳米层间通道，已在一些研究中被应用于制备超薄皮层反渗透复合膜最近，Gravelle等二维材料在近些年得到了迅速的发展应用，如石墨烯及其衍生物、硫化钼、硫化钨、沸石等以上内容为超薄皮层复合反渗透膜制备技术的研究进展，其优缺点总结在表1中。尽管现阶段超薄皮层反渗透复合膜距离工业化生产并广泛应用于海水淡化、污水处理等领域仍有一定的距离。相信随着膜科学技术、新型膜材料等的继续发展，超薄膜制备方法的不断完善以及对反渗透膜渗透机理和过程的进一步探讨，未来关于超薄皮层反渗透复合膜的研究将取得更大的进展。6有待解决的问题经过三十多年的发展，反渗透复合膜的性能得到了极大提升，但研发高通量反渗透复合膜依然是分离膜领域主要的发展方向之一,超薄聚酰胺皮层反渗透复合膜的研究为进一步提高反渗透膜的水通量提供了非常重要的思路。传统的界面聚合方法难以实现高精度控制分离层厚度，因此开发新技术制备超薄皮层反渗透复合膜一直是膜分离领域的研究重点。另一方面，虽然超薄皮层反渗透复合膜的研发已取得一定的进展，但仍存在许多值得深入探究的问题。(1）目前大量研究聚焦降低聚酰胺分离层的厚度以获得高通量，但由于存在空腔、结节状等粗糙结构，分离层的表观厚度和本征厚度并不一致，尤其是聚酰胺有效分离层，因此首先在行业内亟需形成科学统一的聚酰胺层厚度的表征方法。(2）聚酰胺分离层物化性质和反渗透膜性能间的关系较为复杂，缺乏系统机理性研究，仍需进一步深入探索，诸如除聚酰胺层表面粗糙度和厚度之外，其他的物化性质是否会对水和溶质的渗透性产生影响，例如聚酰胺表层内突起的互连性、聚酰胺层的亲水性、球状结节的脱水变形情况、支撑层载体的表面孔隙率等。因此，应避免一味寻求降低聚酰胺层厚度以期获得高通量性能的思路，而应建立详细的聚酰胺层的物理化学结构模型，探究膜表面物化结构与膜性能之间的本征关联来指导高性能反渗透膜的研发。(3）目前的超薄皮层反渗透复合膜制备方法对工艺要求较高，与商业生产的反渗透膜的成熟生产方式尚有一定的距离，因此有必要对工艺方法、新型膜材料的选用等进行改进。(4）缺少超薄皮层反渗透复合膜对实际水处理系统长期运行的