膜國家重點實驗室在高性能抗污染分離膜研究方面取得系列重要進展

近日，我校分離膜與過程國家重點實驗室國家千人胡云霞團隊在高性能抗污染分離膜研究方面取得系列進展，系列成果發表在領域內國際TOP雜誌《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Chemical Communications》、《Journal of Materials Chemistry A》和《Progress in Chemistry》上。

隨著經濟社會的快速發展和人口數量的增長，全球水資源和能源危機日趨嚴峻。膜分離技術以其低能耗、高效率、綠色環保等優勢，被廣泛應用于海水淡化和污水凈化領域。聚醯胺薄層複合膜（TFC膜）作為目前最先進的脫鹽膜，已被廣泛應用於納濾、反滲透以及正滲透膜分離過程。然而在實際應用過程中，TFC膜存在嚴重的膜污染問題，從而導致分離膜分離性能的降低，膜使用壽命的縮短，最終造成膜分離過程能耗和成本的增加。因此，開發高性能抗污染TFC膜，一直受到人們的關注。

前期，天津工業大學胡云霞研究員和中科院煙台海岸帶研究所劉中雲助理研究員利用貽貝仿生多巴胺表面修飾方法，以膜表面形成的聚多巴胺層為中間層和結合位點，實現銀納米顆粒和二價銅離子在聚醯胺複合膜（TFC膜）表面的原位生長和絡合，賦予膜本身抗生物污染性能，提高TFC膜在實際應用中的抗生物污染能力。相關論文被ACS Applied Materials & Interfaces2016, 8(33): 21666-21673(IF:7.504)和Chemical Communications2016, 52(82): 12245-12248(IF:6.319)錄用發表。

最近，胡云霞研究員和劉中雲助理研究員進一步將TFC複合膜製備過程與表面功能化修飾過程相結合，他們採用層層界面聚合方法（Layer-by-layer interfacial polymerization）實現在TFC膜製備過程中對聚醯胺層表面進行功能化修飾，開發出高性能抗生物污染TFC膜(如圖1)。他們以聚碸超濾膜為基底，在其表面分別依次引入間苯二胺(MPD)水相溶液、1,3,5-苯三甲醯氯(TMC)油相溶液和銀納米顆粒(Ag NPs)水相溶液，利用界面聚合反應，製備銀納米顆粒功能化的TFC膜。利用該方法製備的TFC膜不但具有優異的抗生物污染性能，且膜的分離性能（水通量和截鹽率）沒有受到引入的銀納米顆粒的影響，相關工作發表在ACS Applied Materials &Interfaces2017, 9(46): 40987-40997(IF:7.504)上。

圖1.層層界面聚合法在TFC膜的聚醯胺表面引入銀納米顆粒的過程示意圖

針對TFC膜應用過程中的有機物污染導致水通量急劇降低的難題，胡云霞研究員團隊利用層層界面聚合方法在聚醯胺層表面原位共價鍵引入分子粒徑在5 nm左右的親水超支化聚合物(hyperbranched polyglycerol, hPG)替代線性親水性聚合物鏈來改善聚醯胺層的抗污染性能。超支化hPG由於其獨特的三維球形構型，功能化後的TFC膜同時實現了抗污染性能和水通量的提高。該研究結果表明親水性超支化高分子作為一種新型的表面修飾材料在分離膜表面抗污染改性中具有巨大的應用前景。相關工作發表在Journal of Materials Chemistry A2017, 5(44): 23190-23197(IF: 8.867)上。

圖2. 原位在TFC膜的聚醯胺表面引入親水超支化聚合物的過程示意圖

基於以上研究工作，他們在《Progress in Chemistry》上發表了題目為「抗菌分離膜的構建策略及其發展方向」的前瞻性綜述文章，Progress in Chemistry,2017, 29(11): 1395-1406）。文章從分離膜微生物污染的角度出發，總結歸納微生物污染的形成過程及特點，並針對膜微生物污染問題，論述了國內外的抗菌分離膜的研究現狀，詳細介紹了被動抗粘附型、主動殺傷型及程序複合型三類抗菌策略，對其製備方法、抗菌機理以及存在問題進行了闡述與分析，在此基礎上，進一步探討了抗菌分離膜的未來發展趨勢。

以上研究工作受到國家自然科學基金面上項目和天津市重點平台項目等支持。（審稿：膜國家重點實驗室 何本橋 編輯：宣傳部 謝光勇）

附論文鏈接：

論文1：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b06727

論文2：http://pubs.rsc.org/-/content/articlelanding/2016/cc/c6cc06015c

論文3：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b12314

論文4：http://pubs.rsc.org/-/content/articlelanding/2017/ta/c7ta07335f

論文5：http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?dbcode=CJFQ&dbname=CJFDTEMP&filename=HXJZ201711008&uid=WEEvREcwSlJHSldRa1FhcEE0RVZxZmlBZ1lxOUVpcVVITlhLNnpiV0xGWT0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4ggI8Fm4gTkoUKaID8j8gFw!!&v=MTI1Mzc3N05MVFhCZExHNEg5Yk5ybzlGYklSOGVYMUx1eFlTN0RoMVQzcVRyV00xRnJDVVJMS2ZadVZ2Rnlyblc=

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