世界最新：东华大学团队造出双功能纳滤膜，兼具脱盐和抗菌两大能力

2023-06-23 22:56:48 来源： DeepTech深科技


(资料图片)

纳滤（Nanofiltration）是一种高效节能的膜分离工艺，可有效地去除多价离子和有机化合物，在水处理、制药和食品工业等领域具有重要的应用前景。
透水性和离子筛分能力，是纳滤膜分离性能的主要指标。增大渗透性分离层的表面积，则能在提升水通量同时保持盐份的截留。
目前，聚酰胺基纳滤微孔膜，已被广泛用于液体基分子/离子分离。然而，在兼具渗透、截留、抗菌和自清洁方面，这种膜仍然存在一定的瓶颈。
受到氨基/亚胺与酰氯缩合交联形成致密聚酰胺网络的启发，东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室教授团队，提出通过将多氨基卟啉基共轭微孔聚合物（PACMP，porphyrin-aniline conjugated microporous polymers）接枝到聚酰胺上，借此来扩大纳滤膜的分离表面积的策略。
（来源：团队）
得益于PACMP 与聚酰胺膜牢固的共价接枝，并借助减薄分离层厚度、增加分离表面积、增加粗糙度等方法，纳滤膜的水通量能达到纯酰胺膜的两倍，同时还能保持较高的盐截留率。
此外，PACMP 在光照下光激发单线态氧可有效杀灭细菌，体现了卟啉基聚合物接枝的聚酰胺膜优异的抗菌性能。就其研究意义来说：
一方面，课题组发现了粉末状聚合物牢固负载制备二维材料的方法，并对原子力显微镜图像处理表征膜表面积变化的独特方法加以探索，也从后处理角度解决了共轭微孔聚合物难加工成形的问题。
另一方面，该工作通过卟啉基聚合物修饰聚酰胺纳滤膜，制备了一种复合膜材料，其具备分离层较低、传质阻力小的优势，进而可以造出双功能纳滤膜。
这种双功能纳滤膜拥有水通量翻倍的特点，可以实现有效抗菌的功能。基于此，该团队研发出一种可以高效解决膜易污染、膜通量低等问题的新策略。
期间，课题组所引入的共轭微孔聚合物，不仅解决了膜分离过程中渗透率和截留率存在trade-off 的难题，而且赋予分离膜以优异的抗菌和抗阻垢性能，未来有望用于工业分离领域，例如浓缩、脱盐、油水分离、染料提纯、天然药物分离、有机/无机液体分离等。
日前，相关论文以《超渗透性抗菌偶联微孔聚合物-聚酰胺复合膜的表面工程》（）为题发在 Science China Materials上[ 1]， 石玉为第一作者， 和教授担任共同通讯作者。
图| 相关论文（来源：Science China Materials）
在论文投稿期间，其中一位审稿人非常认可通过卟啉基共轭微孔聚合物，来赋予纳滤膜原位抗菌性的方法。其还表示，利用原子力显微镜图像处理表征膜表面积的方法给他留下了深刻印象。
而在研究中，该团队通过阅读文献、结合实际应用，发现传统的聚酰胺纳滤膜存在几个突出的问题，包括水通量待提高、盐离子或分子的截留率长期运行难保持、膜表面易结垢易污染等。
调研发现，纳滤膜的分离层厚度，会对水/溶剂传质的阻力产生影响，即较厚且致密的分离层会导致传质阻力大幅增加，长期运行之后容易导致表面结垢，从而造成通量下降以及膜污染。
相反的，使用薄的分离层可以提高膜的通量，并能保持较高的截留率。针对低通量、易结垢问题，该团队确立了如下目标：制备分离层减薄的聚酰胺纳滤膜，进而造出一种可以确保纳滤性能和稳定膜结构的纳滤抗菌膜，最终实现较高的通量和抗污染特性。
同时，通过引入共轭微孔聚合物，优异的截留性能得以保证。另外，他们发现卟啉基聚合物材料具有较好的光吸收性能[2]，在光照下能激发产生单线态氧活性成分，通过氧化破坏细胞器可以抑制细菌的生长。
因此，可以将卟啉基共轭微孔聚合物PACMP 作为光敏材料，以作为单线态氧的“生成器”，从而发挥杀菌的功能。
基于以上调研与论证，该团队又提出这样一个课题计划：将氨基封端的卟啉基共轭微孔聚合物PACMP，与酰氯通过酰胺化反应“预接枝”形成多酰氯聚合物，接着通过一步界面聚合法，让多酰氯聚合物和酰氯的混合溶液，同时与哌嗪单体完成酰胺化反应，从而形成聚酰胺纳滤复合膜。
随后，针对含有不同剂量的共轭微孔聚合物的纳滤膜，他们对其进行纳滤性能测试，包括纯水通量测试、多种盐溶液的通量及截留率测试等。
为了研究纳滤膜的抗菌性能，通过膜在光照/黑暗条件下对比、聚合物含量对比等，课题组检测了革兰氏阴性、阳性两种细菌的存活率。最后，通过长期通量/盐截留测试，表征了膜结构与纳滤性能的稳定性。
而在研究纳滤膜精细结构如何分离层表面积时，该团队遇到了一个难题：即如何定量表征膜分离层表面积的变化？
通过扫描电子显微镜，他们观察到纳滤膜分离层厚度只有120-150nm，这是一个极薄且非常脆弱易破损的表面，对其表面进行定量表征几乎是不可能实现的。
正当犯难时，他们想到通过对比原子力显微镜二维图像明暗场，可以反映材料表面高度起伏的变化，由此得到对应的高度曲线和三维立体结构。
这时课题组设想，通过单位投影面积中明暗对比程度，是否可以得到实际表面积与单位投影面积的增量（变化量）？
事实证明，该方法既巧妙、又可靠，原本困扰他们许久的膜精细结构的表征问题也就迎刃而解了。
此外，传统聚酰胺纳滤膜具有两面亲水性，理论上水相溶液可以从任何一面渗透到另一面。对于特定的应用场景，比如高湿度环境或极干燥沙漠环境，假如水分可以选择性地透过就会显得更为重要。
因此，他们将致力于研制亲水和疏水的两性非对称膜。亲水面允许高湿度环境的水分透过进入到干燥环境；背水面则能有效阻止水分从低湿度环境蒸发。
由此，亲疏水膜可以调节膜覆盖下环境的湿度变化。另外，亲疏水非对称膜还可以拓展应用以下场景：即去除有机溶剂中微量的水分、或水相中微量的有机溶剂。
参考资料：
Engineering for Ultrapermeable Antibacterial Conjugated Microporous Polymer-Polyamide Composite Membranes
/s40843-023-2476-5
2.ACS Applied Interfaces Materials2022, 14, 4522
运营/排版：何晨龙

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