天工大Nature Water：纳滤膜研究最新成果！

一、【科学背景】

水资源安全是全球面临的重大挑战之一，确保清洁水源的可持续供应已成为研究热点。随着水资源短缺问题日益严重，开发高效、节能的水处理技术迫切需求日益增加。纳滤（NF）是一种新型压力驱动膜技术，以较低能耗高效去除多价离子和小分子有机物，广泛应用于饮用水生产、市政用水和工业废水处理。然而，传统的聚酰胺纳滤膜虽然在选择透过性方面具有优势，但其水透过性较低，限制了其在大规模应用中的效率。为提高聚酰胺纳滤膜的水透过性，许多研究集中于分子单体设计、纳米复合材料和膜制备工艺的优化，但膜结构变化较少，难以实现显著提升。为了解决这一问题，研究人员开始探索混合维度膜结构，结合二维聚酰胺膜与不同维度的结构，期望通过增加水传输通道来提高膜的水透过性，但本质上仍是二维膜的演变。未来，需要开发颠覆性的新结构，以进一步提高分离性能，同时深入理解加工与结构之间的关系，为水净化领域提供创新解决方案。

二、【创新成果】

沿着这一思路，天津工业大学武春瑞研究员团队在Nature Water发表了题为“Interfacial self-organization of large-area mixed-dimensional polyamide membranes for rapid aqueous nanofiltration”的论文，报告了在室温下利用两种小分子在油水界面快速自组装，制备出一种大面积的混合维聚酰胺膜。该膜具有独特的分层结构，由二维纳米膜表面生长的一维纳米管组成。这种创新结构显著增加了单位投影面积的有效水传输面积，使膜的水盐分离性能远超目前最先进的膜材料。通过对照实验结合分子动力学模拟，作者发现两种单体分子在反应初期自发组织形成二维纳米孔网络，而纳米管的向上生长由纳米孔内的毛细作用驱动。本研究为理解界面物理和化学相互作用如何在环境条件下将分子自组装成大规模复杂分层纳米结构提供了宝贵的见解，并为开发可扩展的混合维度水净化膜开辟了新路径。

图1具有NoN结构的混合维聚酰胺膜的示意图，与平面二维聚酰胺膜对比© 2024 Springer Nature

图2混合维聚酰胺膜的外部和内部结构表征© 2024 Springer Nature

图3 NoN形成过程和结构操纵的模拟图示© 2024 Springer Nature

图4表面形态随反应时间的演变以及基于PALS的自由体积分析© 2024 Springer Nature

图5分离性能比较和结构-性能关系图© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

研究人员成功地采用界面缩聚方法，一步实现了混合维聚酰胺膜的大规模制造。独特的NoN架构为节能NF膜铺平了道路，展现出卓越的透水性和水盐选择性。这种制造工艺可以很容易使用卷对卷涂层进行扩展，在饮用水生产以及市政和工业废水处理方面具有广阔的实际应用前景。从这项工作中获得的理论见解揭示了界面缩聚的复杂性，特别是在利用界面物理和化学相互作用之间的相互作用方面。作者相信这些发现为水安全先进纳米制造技术的开发提供了灵感。

原文详情：Interfacial self-organization of large-area mixed-dimensional polyamide membranes for rapid aqueous nanofiltration(Nat. Water2024, DOI: 10.1038/s44221-024-00348-w)

本文由大兵哥供稿。