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近半個(gè)世紀(jì)以來，復(fù)合反滲透膜一直是海水淡化和水凈化的最佳選擇，一直以聚酰胺化學(xué)為主，聚酰胺在透水性和脫鹽性方面具有足夠的性能，但在氯或其他強(qiáng)氧化劑存在下容易降解。聚酯通常不用于水過濾膜，因?yàn)樗鼈兘胨芤褐袝r(shí)會(huì)發(fā)生水解降解。

在此，南京理工大學(xué)張軒教授，東北師范大學(xué)王憲澤副教授和美國耶魯大學(xué)Menachem Elimelech教授等人通過分子設(shè)計(jì)聚酯薄膜復(fù)合反滲透膜來解決這些問題，該膜使用助溶劑輔助界面聚合，使3,5-二羥基-4-甲基苯甲酸與三甲基酰氯反應(yīng)。這種聚酯膜具有很強(qiáng)的透水性，對氯化鈉和硼展現(xiàn)出高截留率，以及對氯的完全耐受性。與聚酰胺膜相比，該膜的超光滑、低能耗表面還可防止結(jié)垢和礦物結(jié)垢。同時(shí)，這些膜可以通過進(jìn)一步優(yōu)化水-鹽選擇性來越來越多地挑戰(zhàn)聚酰胺膜，從而為大幅減少海水淡化中的預(yù)處理步驟提供途徑。

相關(guān)文章以“More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination”為題發(fā)表在Science上。

內(nèi)容詳解

聚酰胺薄膜復(fù)合反滲透（TFC-RO）膜憑借其出色的分離效率，近半個(gè)世紀(jì)以來一直是海水淡化或廢水再利用的重要技術(shù)。這些膜通過界面聚合（IP）制備，其中反應(yīng)發(fā)生在含有間苯二胺（MPD）的水相和含有三甲基氯（TMC）的有機(jī)相之間的界面上。然而，IP工藝的熱力學(xué)不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生具有高表面粗糙度的薄聚酰胺薄膜，這有利于有機(jī)污垢或無機(jī)垢劑的粘附。盡管氧化劑（如氯）可以防止膜生物污染，但在活性氯存在下，聚酰胺薄膜會(huì)通過酰胺鍵處的 N-氯化或苯環(huán)處的直接芳香取代而變質(zhì)。

為了克服這些限制，工業(yè)水處理需要一系列昂貴的預(yù)處理步驟（例如，混凝、阻垢劑添加、消毒和脫氯），以去除潛在的污垢和殘留的氧化物質(zhì)，從而為精密的RO膜制備給水。盡管最近在文獻(xiàn)中報(bào)道了防污和耐氯膜可能避免這些預(yù)處理步驟，但與聚酰胺膜相比，它們的海水淡化性能要差得多。一個(gè)例外是在由聚醚砜（PES）基材支撐的中間聚（哌嗪酰胺）層上形成的聚酯選擇層。盡管聚酯選擇層表現(xiàn)出出色的耐氯性和海水淡化能力，但膜在pH 值為 8.0 時(shí)開始水解，因此海水（pH=8.0~8.5）、堿性地下水和城市廢水（pH=7.0~8.5）將需要其他形式的化學(xué)密集型預(yù)處理。開發(fā)一種堅(jiān)固的膜，通過抗結(jié)垢和礦物結(jié)垢或?qū)η鍧崉ɡ缁钚月龋┑幕瘜W(xué)惰性，消除所有預(yù)處理步驟，可以大大降低海水淡化的成本和環(huán)境影響。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，本文使用助溶劑輔助界面聚合，從分子上設(shè)計(jì)了一種堅(jiān)固的聚酯TFC-RO膜。該膜具有顯著的透水性，對NaCl和硼具有高截留率。此外，它還具有完全的耐氯性，以及出色的抗污垢和礦物結(jié)垢性。

圖1. 聚酯RO膜的設(shè)計(jì)、制造工藝和海水淡化性能。

圖2：DHMBA和SW30膜暴露于氯氣后的海水淡化性能和形貌。

圖3：DHMBA和SW30膜的石膏結(jié)垢和有機(jī)結(jié)垢。

圖4：DHMBA和SW30膜在海水淡化中的污垢比較

綜上所述，本文證明了聚酯反滲透膜具有出色的水-鹽選擇性、硼去除性以及耐氯、結(jié)垢和礦物結(jié)垢性。助溶劑輔助IP工藝增強(qiáng)了水性反應(yīng)物向有機(jī)相的擴(kuò)散，從而形成了具有高脫鹽性能的無缺陷選擇層。這些膜的表面比商業(yè)聚酰胺海水反滲透膜光滑得多，這可能是它們結(jié)垢和結(jié)垢傾向較低的原因。具有高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)的全芳香族聚酯使膜在0至9的pH值范圍內(nèi)具有耐氯性和水解穩(wěn)定性。由于本文的膜制造工藝與傳統(tǒng)的TFC膜相似，因此可以調(diào)整現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)線以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

Yujian Yao, Pingxia Zhang, Fei Sun, Wen Zhang, Meng Li, Gang Sha, Long Teng, Xianze Wang*, Mingxin Huo, Ryan M. DuChanois, Tianchi Cao, Chanhee Boo, Xuan Zhang*, Menachem Elimelech*, More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination, Science. (2024).?

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