關鍵詞：納濾膜、氧化石墨烯、植酸、界面聚合、分子動力學
隨著人類社會高速發展，水資源污染問題顯得尤為突出。膜分離技術廣泛應用于廢水凈化和脫鹽領域，但傳統的聚酰胺（PA）納濾膜通常存在滲透性和選擇性之間存在“權衡”限制的問題，這限制了其長時間重復運行和應用。研究表明，PA層的表面親水性、內部傳輸通道和厚度是影響膜分離性能的關鍵因素。氧化石墨烯（GO）作為一種二維層狀材料，存在豐富的羥基、羧基和環氧基團，添加到PA層中可以為水分子提供通快速傳輸通道。但是在PA層中添加純GO對水通量的改善往往十分有限，通常會降低納濾膜的截留率。因此，如何針對PA層的親水性以及膜層厚度優化是提升納濾膜性能的關鍵所在。
近日，廈門大學藍偉光教授課題組在《Nanoscale Advances》上面發表了題為“Regulating the thickness of nanofiltration membrane for efficient water purification”的論文。本論文將多功能的植酸（PhA）分子作為表面改性劑來修飾GO，將GO-PhA(GP)復合物作為添加劑并通過界面聚合引入到傳統聚酰胺納濾膜中，制備了高性能的薄膜納米粒子復合（TFN）納濾膜。實驗和分子動力學模擬研究結果表明，GP復合物不但增強了納濾膜的親水性，還可以有效地降低界面聚合過程中哌嗪的擴散速度，從而減小PA膜的厚度。優化后的TFN-GP-0.2復合膜的水通量為48.9 L m-2 h-1，是原始薄膜復合(TFC)納濾膜(37.9 L m-2 h-1)的1.3倍；與此同時，TFN-GP-0.2膜對2000 ppm MgSO4和Na2SO4的截留率分別保持在97.5%、98.3%。此外，TFN-GP-0.2復合膜還表現出良好的長期穩定性，連續運行12 h后，水通量僅下降0.1%，MgSO4截留率則從97.5%提高到了98.2%。該膜表現出的性能可與三款主流的商品化納濾膜的性能相媲美。
圖1. (a) TFN-GP復合膜的制備過程；(b) TFC、(c) TFN-GO-0.2和(d) TFN-GP-0.2膜的SEM表面圖像；(e) TFC、(f) TFN-GO-0.2 和(g) TFN-GP-0.2膜的SEM截面圖像。
圖2. (a)、(d) TFC、(b)、(d) TFN-GO-0.2和(c)、(f) TFN-GP-0.2的AFM表面圖像和相應的三維表面形貌圖像；(g) TFC和TFN復合膜的厚度；(h) TFC和TFN納濾膜的水接觸角；(i) PSU、TFC和TFN復合膜的FT-IR光譜。
圖3. (a) TFC和TFN復合膜的XPS全譜；TFN-GO-0.2 膜的(b) C 1s和(c) O 1s 精細能譜圖；TFN-GP-0.2膜(d) C 1s、(e) O 1s和(f) P 2p精細能譜圖。
圖4. 擴散60秒后有機相中PIP的紫外-可見(UV-vis)光譜；(b) 通過分子動力學模擬的PIP在有/沒有GP復合物的情況下PIP向正己烷相的擴散系數；水/正己烷界面(c) 沒有和(d) 有GP復合物的MD模擬圖。
圖5. (a) 不同質量比TFN-GP納濾膜的水通量和MgSO4截留率；(b) 不同濃度的GP復合物對納濾膜分離性能的影響；(c) TFC和TFN納濾膜的分離性能；(d) TFC和TFN復合膜對2000 ppm鹽溶液的截留率；(e) TFN-GP-0.2膜與納米材料改性TFN納濾膜的通量和截留率對比；(f) TFN-GP-0.2膜與商業聚合物膜分離性能對比。
圖6. TFC和TFN納濾膜連續運行12小時的(a) 水通量和(b) 截留率的穩定性；(c) TFN-GP復合膜的分離機理。
廈門大學材料學院碩士生唐可為該論文的第一作者，廈門大學材料學院藍偉光教授和陳洲助理教授為本論文的通訊作者。
藍偉光是廈門大學材料學院教授，廈門大學水科技與政策研究中心首席科學家，廈門大學膜技術應用與推廣中心暨中國科創板首家膜科技上市公司（簡稱：三達膜；代碼：688101）創始人，他率領團隊開發了500多項先進的膜分離工藝，獲頒100多項專利發明，掌握了先進膜材料開發與應用的核心技術，創造了良好的經濟與社會效益。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/na/d3na00110e
