研究背景
纳滤（NF）技术在净化废水、地下水和咸水等各类水体方面应用广泛。实际应用中，NF膜多以卷式膜组件形式提供。然而，这种构型存诸多的问题，例如运行压力高、压力损耗大、组件构成复杂以及成本高昂等，制约了NF技术的应用场景。因此，开发新型NF模块迫在眉睫。真空驱动NF技术作为一种颇具前景且成本较低的替代方案，以其模块组成简单，运行压力超低（< 1 bar）等优势。这种技术通过负压驱动膜过程，与传统的压力驱动膜技术相比，可以显著降低系统的能量需求和运行成本。此外，真空驱动系统更容易进行模块化设计，能够适应更多复杂的应用场景，特别是在对成本和能效要求较高的领域，如废水处理和资源回收。然而，现有商业NF膜（如NF270，纯水渗透系~15 LMH/bar），在真空驱动系统中无法获得具有实际应用价值的水通量。
近日，香港大学汤初阳教授课题组另辟蹊径，借助天然蚕丝纳米纤维（SNF）对聚酰胺NF膜的纳米结构进行优化，成功研制出高通量的NF膜。该膜在传统的错流模式下表现卓越，水渗透性高达96.2 LMH/bar，Na₂SO₄截留率达96.0%。而在真空驱动水处理系统中，这一高通量NF膜也展现优越的水处理效能。在0.9 bar的真空条件下，其水通量高达56.8 LMH，同时能高效去除水中有害的微污染物。更为重要的是，相较于传统的商业NF膜，采用这一新型膜的系统单位能耗（SEC）和碳排放分别降低80%以上。该研究为开发更加节能、环保的水处理工艺提供了重要的技术路径。这项成果以 “Ultra-permeable silk-based polymeric membranes for vacuum-driven nanofiltration” 题发表在《Nature Communications》。香港大学博士生甘博文为该文第一作者，汤初阳教授和杨哲博士担任通讯作者。
文章解读
1. 蚕丝-聚酰胺纳滤膜的结构表征
作者提出一种蚕丝纳米纤维（SNF）的辅助基底模板法，用于制备无缺陷且高度褶皱的超高通量纳滤膜（SNF-NF，见图1）。具体而言，在进行界面聚合反应（均苯三甲酰氯-哌嗪）之前，作者在粗糙的多孔基膜表面预先喷涂一层薄且多孔的SNF涂层。与未修饰的基膜所形成的有缺陷的聚酰胺截留层（图1A）相比，带有SNF 涂层的基膜能够有效减轻漏斗效应，生长高度褶皱且完整的截留层，增加了过滤面积（图1B）。这种优化后的NF膜结构，有望降低水的过膜阻力，提升水通量。
图1.SNF在NF膜中的作用
2. 纳米蚕丝层对制备高通量纳滤膜的贡献
作者借助微晶石英天平和分子模拟揭示（图2D-2F）SNF层在聚酰胺截留层形成过程中的作用机制。在界面聚合过程中，SNF涂层能够增加 PIP的储存量，并使PIP分子易于在SNF周围聚集，从而调控PIP在界面聚合过程中的释放，促进高质量聚酰胺截留层的形成。当PIP-水相与均苯三甲酰氯-有机相接触时，SNF层能够限定界面聚合反应界面，使聚酰胺沿粗糙基底生长，形成高度皱褶且无缺陷的截留层。此外，SNF层的互连多孔结构能降低水传输的曲折路径，从而减小水的过膜阻力。这些机理的共同作用，提升了蚕丝-聚酰胺纳滤膜（SNF-NF）的分离性能。
图2. 膜的物理化学性质和分子动力学模拟结果
3. 纳滤膜的分离性能
NF膜的分离性能通常受水渗透性-选择性权衡关系的制约。图3B和3C中的直线代表水渗透性与水/Na₂SO₄选择性以及水渗透性与NaCl/Na₂SO₄选择性的上限。在本研究中，超高通量的SNF20-NF0.1*膜展现出卓越的分离性能，超越了传统聚酰胺NF膜的性能。在膜过滤技术领域，突破这一性能上限可能会促进NF膜在海水淡化预处、地下水处理等场景中的使用。
图3. 压力驱的错流过滤模式下纳滤膜的脱盐性能。
4. 浸没式真空驱动纳滤过程
图4A展示了一种浸没式真空驱动NF过程。该系统利用气泵产生气泡，减轻膜表面的浓差极化并有效清洗膜表面。在此真空驱动过程中，待处理液透过NF膜被吸入中空系统，完成净化。为验证高通量SNF-NF膜在浸没式真空过滤系统中的性能，作者对该膜进行了分离性能测试。如图4B 所示，在-0.9 bar真空下，SNF20-NF0.1*膜展现出56.8 LMH的水通量。而相比之下，商业膜 NF270的水通量仅为前者的十分之一（4.8 LMH），难以满足实际应用需求（如浸没式膜生物反应器）。
图4. 纳滤膜在真空驱动过滤模式下的分离性能
超高通量NF膜被认为能够降低SEC和温室气体排放，尤其适用于低渗压的废水处理。作者分析了不同水渗透性的NF膜在真空驱动系统中的SEC（图 4D），结果表明SNF20-NF0.1*膜相比于商业膜（NF270），能够减少近80%的SEC。若设定水处理系统的目标产水量为25 LMH，真空压力为0.5 bar（基于传统的膜生物反应器），要达到这一产水目标，NF膜的纯水渗透系数需大于80 LMH/bar，这远高于现有商业膜的水渗透性。此外，SNF20-NF0.1*膜在温室气体排放方面也比NF270减少了近80%（图 4E）。总之，配备高通量NF膜的真空驱动过滤系统，有望推动水处理系统向更节能环保的方向发展。
小结
在本研究中,作者利用SNF辅助制备出具有超高通量且无缺陷的NF膜，并将其应用于浸没式真空驱动净水系统。该NF膜展现出极高的水通量以及优异的水-溶质和溶质-溶质选择性。此外，作者设计并测试了配备高通量NF膜的浸没式真空驱动过滤系统。结果表明，该系统能够同时实现高水通量、高污染物去除率，并显著降低单位能耗和温室气体排放。这一研究启示我们，高通量NF膜或可替代膜生物反应器中的超滤/微滤膜，从而进一步改进现有的污水处理工艺。
课题组网站：
https://www.membest.hku.hk/
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53042-6
来源：高分子科学前沿
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