Volume 3 Issue 4 will be published on Jul 12, 2022.   A Cell Press partner journal
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5/10000发丝厚度的纳米多孔滤膜

家用净水器出水慢?水质差?这是滤膜的渗透性和选择性出了问题。如何同步提升纳米多孔滤膜的渗透性和选择性是解决该问题的关键。提升渗透性的方法之一是降低滤膜的厚度,但怎样才能既降低厚度又提升选择性,这是本文需要着重解决的问题。研究者从最简单、最常见的挥发现象入手,借助溶液的高挥发性,低浓度聚合物在基底表面快速固化成型,得到超薄聚合物层。开孔后的聚合物层即可作为滤膜,用于高效水处理(图1)。


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图1 图文摘要


01

如何得到超薄聚合物膜?

将聚合物溶解于高挥发性溶剂中,随即将溶液滴在基底表面。溶剂快速挥发使得聚合物在基底表面迅速固化成膜。由于使用的聚合物浓度极低(质量浓度:0.05% ),得到的薄膜厚度可降至~30 nm约发丝直径的5/10000)(图2)。

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图2 超薄聚合物膜的制备与表征


02

怎么“疏通”超薄聚合物膜?

通过快速挥发制备的超薄聚合物膜为致密、无孔结构,即没有渗透性(如同堵住的水管)。要想真正用起来,还需打通“水管”,让水流畅通无阻。选择性溶胀,作为一种不涉及化学变化、过程绿色环保的开孔方法,被用于“疏通”致密无孔的超薄聚合物膜(图3)。经选择性溶胀之后,致密的超薄聚合物膜转变为纳米多孔结构,孔径介于20-60 nm。纳米多孔结构与基底孔道相互交错,形成尺寸更小的分离通道(孔径<10 nm)。至此,超薄厚度和超小孔径赋予了滤膜高渗透性和高选择性的特点。

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图3 薄膜的选择性溶胀


03

滤膜可以用在哪?

由选择性溶胀“疏通”后的纳米多孔滤膜可用于蛋白质的高效浓缩和提纯。滤膜的水渗透性高达~1300 Lm-2h-1bar-1,其对牛血清蛋白(分子量67 kDa)分离效率>90%(图4)。此外,滤膜能够有效截留直径约4 nm的纳米颗粒,有利于高价值纳米粒子的回收(如金颗粒)。上述结果预示滤膜在生物制药、水处理等领域有着良好的应用前景。

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图4 滤膜的分离性能研究



总结和展望

针对纳米多孔滤膜渗透性和选择性两者的制约关系,建立了快速挥发制备超薄聚合物膜的方法,对聚物膜进行选择性溶胀即可得到高渗透性高选择性纳米多孔滤膜。该工作系统研究了成膜机制并阐明了选择性溶胀开孔机理,深入考察了纳米多孔滤膜的分离性能,展示了纳米多孔滤膜的应用前景。基于快速挥发策略,基底表面连续薄膜的构筑并不局限于有机材料,如无机纳米颗粒等材料在基底表面的涂层构建亦有望通过本策略实现。综上,该方法在有机、无机等复合材料的制备和应用方面具有较大发展潜力


原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00013-8




作者简介


汪勇,南京工业大学化工学院博士生导师,教授。致力于膜材料与膜过程的研究,提出了“均孔膜(Homoporous membranes, HOMEs)”的概念,基于嵌段共聚物、框架高分子,开展均孔膜的设计、制备、放大与应用的研究,建立了选择性溶胀制备分离膜的新方法;首次将原子层沉积用于液体分离膜的改性、制备和功能化,膜分离的选择性、渗透性同步大幅提升,抗污染性也得到改善。主持973计划(首席科学家)、国家杰出青年科学基金、中组部高层次人才计划、霍英东青年教师基金、德国洪堡基金会Research Group Linkage Program等项目。获授权中国/PCT发明专利20余件,在《膜科学技术》、Adv. Mater.、AIChE J.、Engineering、J. Membr. Sci.、Macromolecules、The Innovation等期刊上发表研究论文200余篇,在《化工学报》、Acc. Chem. Res.、Adv. Mater.、Macromolecules等期刊上发表邀请综述。现为“水处理膜”江苏高校优秀科技创新团队带头人。曾任香山科学会议第546次学术讨论会执行主席,目前担任Macromolecules副主编(Associate Editor),以及《化学通报》、《膜科学技术》、《水处理技术》编委。曾获全国优秀教师、中国化学会青年化学奖、江苏省青年科技奖、国家科技进步二等奖(3/10)、石化协会创新团队奖等荣誉或奖励。



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