寧波材料所在Janus微孔正滲透膜領域取得進展

　　正滲透作為一種滲透壓驅動的膜分離技術，具有低能耗、低污染等優勢，被廣泛應用于海水淡化、水處理、壓力阻尼滲透發電以及可控藥物釋放等領域。正滲透技術的核心在于正滲透膜以及汲取液的設計與合成。理想的正滲透膜應該具備高滲透性、高選擇性、高的耐污染能力以及低的結構因子來降低濃差極化能力。

　　目前，正滲透膜材料主要有不對稱醋酸纖維素膜和聚酰胺超薄復合膜（TFC），聚酰胺超薄復合膜主要由多孔支撐層（如無紡布+聚砜超濾膜）和界面聚合形成的聚酰胺致密層組成。其傳質機理主要有溶解擴散、優先吸附-毛細孔流以及氫鍵理論等。為了提高滲透通量和選擇性，前人在界面聚合超薄復合膜的制備過程中，采用了多種納米材料進行結構調控，如氧化石墨烯、碳納米管、水通道蛋白、金屬有機框架材料，但是基于上述傳質理論的不對稱致密膜在正滲透過程中，仍然存在濃差極化和膜污染問題，導致其滲透通量和鹽截留率低。因此如何通過新型膜材料的設計，并提出新的滲透傳質機制，是國際上正滲透領域面臨的挑戰。

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員劉富團隊提出一種不對稱浸潤性Janus微孔膜用于正滲透過程，水通量可達到274.2Lm-2h-1，反向鹽通量為1.65gm-2h-1，水通量Jw及水鹽比通量Jw/Js遠高于目前界面聚合制備的聚酰胺TFC膜。通過在超親水醋酸纖維膜表面利用靜電紡絲構筑疏水聚偏氟乙烯納米纖維層，制備的不對稱浸潤性Janus微孔膜（CA/PVDF），在滲透傳質過程中表現出二極管流體特性，其聚偏氟乙烯納米纖維疏水側的空氣層能夠有效抑制汲取液中鹽溶質的反向擴散，提高選擇性，而其另一側的醋酸纖維素親水膜可通過導流減少表面流體對超疏水膜的剪切沖擊，起到保護空氣層的作用，此外還具有抗污染和支撐作用。疏水納米纖維層的厚度（1.7～9.1μm）可通過靜電紡絲的時間來進行可控調節。在滲透壓的作用下，原料液側的水分子的運動為從Janus膜的親水側到疏水側的定向運動，而汲取液中的鹽離子被疏水側的空氣層有效阻隔，Janus膜的朝向相反時，原料液中的水分子的運動受到限制，運動規律類似于流體二極管。疏水膜的厚度對于滲透通量和反向鹽通量的影響至關重要，降低厚度，提高汲取液中鹽的濃度，滲透通量和反向鹽通量都相應提高。當Janus膜的疏水空氣層被浸潤破壞后（如運行2小時），水通量急劇下降，反向鹽通量急劇上升。進一步將膜進行簡單干燥后，水通量和反向鹽通量完全恢復，具有多次循環穩定性。前期研究發現上述傳質過程存在蒸發冷凝以及對流擴散。上述工作發表于Environmental Science & Technology Letters, 2019,6,79-85，并得到澳大利亞麥考瑞大學博士Shuaifei Zhao（共同通訊作者）和澳大利亞新南威爾士大學教授Chuyang Y. Tang的合作支持。

　　進一步，劉富團隊通過相轉化法制備了超親水PVDF微孔膜，并利用其微納結構固定負載超疏水氟化二氧化硅納米粒子，制備了Janus膜(PVDF/F-SiO2)，用于正滲透過程，其不對稱浸潤結構可以有效降低濃差極化，實現水分子的單向傳質，以及對鹽離子的反向抑制。不同于上述的蒸發冷凝機制，由于納米級親水通道是貫穿于膜中，但由于表面浸潤性差異，具有單向傳遞特性，其滲透系數可達到2.2Lm-2h-1bar-1，比鹽通量為0.007gL-1。上述工作發表于Journal of Materials Chemistry A, 2019,7,632-638。

　　上述工作揭示了Janus微孔膜用于正滲透的新型傳質過程及傳質機理，其優異的滲透性能表明Janus微孔膜在海水淡化、水處理及壓力阻尼滲透發電領域具有應用前景。

　　上述工作得到國家自然科學基金面上項目（51673209）、國家自然科學基金委與香港研究資助局聯合項目（5161101025、N_HKU706/16）以及寧波市科技局2014B81004、2017C110034的支持。