北京化工大学李培副教授、曹兵教授等《自然·通讯》：调控交联聚合物的分子结构用于渗透汽化脱盐

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北京化工大学李培副教授、曹兵教授、英国爱丁堡大学Lau, Cher Hon教授合作，在Nature Communications（2020，11:1461）发表文章《调控交联聚合物的分子结构用于渗透汽化脱盐》。文章第一作者是博士研究生薛云龙，通讯作者为李培副教授。
【研究背景】
反渗透（RO）是应用最广泛的海水淡化技术，但产生大量的浓盐水（NaCl含量 > 5 wt.%）难以处理。传统的蒸发法有高能耗、设备腐蚀严重的问题。膜蒸馏法则具有耐腐蚀、装置尺寸小、低温操作、脱盐效果好、可利用低温热源等优点，但疏水膜容易被污染、长期运行稳定性差。作为另一种热驱动的膜分离过程，渗透汽化（PV）复合膜的亲水性致密层克服了MD的膜污染和孔润湿问题，但提高了传质阻力。
【研究亮点】
本文从提高PVA的力学性能入手，以长链交联剂P（AA-AMPS）交联PVA，采用高通透性PAN电纺丝膜为支撑层，制备了PVA/PAN纳米纤维复合膜。该膜的水通量达到234.9 ± 8.1 kg m-2 h-1（75 ℃，1.5 wt. % NaCl盐溶液），是所有已报道的PV脱盐膜性能的3到20倍，也高于所有MD膜的水通量。该膜优异的抗污染性能和长期运行稳定性证明PV脱盐技术在浓盐水零排放方面具有巨大的应用潜力。
图1. a， 交联剂的分子结构以及PVA薄膜中的交联反应。b，以CPVC超滤膜、氧化铝陶瓷膜和PAN纳米纤维作为多孔支撑层的PVA基复合膜的PV脱盐过程示意图。
【图文解析】
图2. a，PVA/PAN纳米纤维复合膜PV脱盐纯水通量与文献中MD脱盐纯水通量数据的比较。b，以0.5 wt.%吐温20或0.5 wt.%十二烷基苯磺酸钠（SDBS）或0.5 wt.%海藻酸钠作为有机污染物，分别配以3.5 wt.% NaCl作为原液时，PVA/PAN纳米纤维复合膜的PV脱盐性能。c-f，PVA/P(AA-AMPS)致密层在抗污染实验后的表面形貌；以及g-j，又经过去离子水冲洗1 h后的表面形貌。
解析：在海水淡化研究中PV和MD经常相互比较。这是因为这两个过程都是热驱动的，并且所需设备装置基本相同。因此，图2a对P(AA-AMPS)交联PVA/PAN纳米纤维复合膜与前沿MD脱盐性能进行了比较。在35至75 ℃和1.5至20 wt. %的盐浓度范围内，PVA/PAN纳米纤维复合膜的脱盐效率均优于所有已报道的MD膜。在抗污染实验中（图2b），吐温20、SDBS和海藻酸钠分别减少了15%、7%和1%的纯水通量，在24 h试验期间，所有被测试复合膜的NaCl截留率都达到了99.7 ± 0.2%。PVA的亲水性防止了有机污染物在膜表面的积聚，从而增强了致密层的抗污性能；而致密层的完整性则阻止了污染物和盐在支撑层孔内的结垢和结晶。水通量的小幅度下降可归因于致密层表面形成的滤饼层。不过，这种滤饼层可以很容易地被去离子水洗净，水通量也可完全恢复（图2c-j）。

全文链接：

Xue, Y.；Huang, J.；Lau, C.；Cao, B.；Li, P.* Tailoring the molecular structure of crosslinked polymers for pervaporation desalination, Nature Comm. (2020) 11:1461 https://doi.org/10.1038/s41467-020-15038-w

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来源：高分子科学前沿


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