自支撐正滲透膜的製備及其應用研究獲進展

最新 06-18

隨著全球人口的激增和化石原料的即將耗盡，水資源短缺、能源緊張和環境污染已成為當今世界面臨的嚴峻問題。水資源的短缺與污染，不僅嚴重製約著社會的發展，由水污染引起的疾病也成為威脅人類健康的危險殺手。因此，在從根本上減少水污染的同時，如何能有效、低能耗地進行污水處理及廢水的回收利用成為當前人們所關注的焦點。在眾多的水處理工藝中，膜分離技術出現於20世紀20年代，被認為是「21世紀最有發展前景的技術之一」。中國科學院城市環境研究所鄭煜銘研究組致力於新型膜材料的研發及其在抗生素廢水處理方面的研究。

正滲透（FO）是一種新型的濃度驅動型膜分離過程，操作過程不需外界施壓，具有能耗低、操作條件溫和、鹽截率高等優點；與傳統的壓力驅動膜分離技術相比，FO過程還具有膜污染較輕、膜過程和設備較簡單等優點。隨著FO越來越受到人們的重視，大量研究聚焦於FO技術在能源、海水淡化、製藥工業、廢水處理以及食品加工等領域的應用。研究組將商業化的FO複合薄膜用於四環素廢水的回收分離，研究了FO技術處理四環素廢水的性能。研究實驗表明：商業FO膜水通量和TC截留率分別高於20 LMH和99.0%；四環素的濃縮因子可達到2.6，經FO濃縮的TC能通過結晶進行回收。該工作發表於Sep. Purif. Technol.2015,153:76-83。

FO膜是正滲透分離的核心，現有FO膜低的水通量、嚴重的內部濃差極化和膜污染等問題，限制了正滲透技術的廣泛應用。開發新型的高性能正滲透複合膜，在保持高選擇性的同時，減少內部濃差極化，提高水通量，增強膜抗污染性能，成為FO大規模應用亟需解決的問題。隨著納米科技的發展，納米纖維膜的出現有望克服這一瓶頸。而靜電紡絲技術是製備具有連續長纖維結構納米纖維膜最直接、最高效的方法。由於其具有比表面積大、內部貫穿的孔道等特點，以靜電紡纖維膜作為膜支撐層，有望有效地降低傳質阻力，提高水通量。因此，研究組以製備高性能FO膜為出發點，採用靜電紡絲技術為基礎製備新型的納米纖維FO複合膜，並將製備的FO膜用於抗生素廢水處理。研究表明：自製FO膜納米纖維支撐層為多孔支架結構，具備低的結構係數值（168 μm），有效地減輕膜內部濃差極化，且具有較好的選擇滲透性，以2 M NaCl為驅動液的條件下，水通量達能41 LMH；將自製FO膜用於FO-MD（膜蒸餾）耦合系統處理TC廢水，結果表明，FO-MD耦合系統有效地分離TC，TC去除率高達99.9%，且水回收率為15%-22%。該工作發表於J. Membr. Sci.,2017, 523, 205-215。

為了進一步提高FO膜的抗污染性能，研究組應用原位合成將納米銀引入納米纖維支撐層，成功製備了負載銀納米顆粒的抗菌FO複合膜。通過原位還原製備的粒徑約為10 nm的銀納米顆粒均勻地分散在PAN纖維內部及纖維表面；銀納米顆粒的引入增強了支撐層的親水性，促進膜水通量的增高；銀釋放速度緩慢，釋放時間長，能長期有效地提供痕量銀離子；自製抗菌FO複合膜對大腸桿菌（E. coli）與金黃色葡萄球菌（S. aureus）表現出良好的抑制生長作用。該成果發表於Ind. Eng. Chem. Res.2019, 58, 984-993。