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南京工业大学孙世鹏教授课题组在光催化自清洁纳滤膜的研究方向取得新进展
2019-12-26  来源:高分子科技

  纳滤膜因其特殊的孔径范围,能够对小分子进行有效的分离回收,使其在高附加值产业,如医药,石化等领域有很好的应用前景。但是,纳滤膜在应用的过程中存在两个问题:膜的渗透性和选择性之间存在的“trade-off”效应和由膜污染带来的通量衰减,包括可逆的浓差极化和不可逆的膜污染。与反渗透不同,纳滤膜的分离机理更为复杂,包括道南效应和孔径筛分,因此对于如何有效缓解纳滤膜因浓差极化引起的通量下降的研究发展相对较缓慢,目前仍处在研究的起步阶段。因有机纳滤膜结构本身与有机污染物之间存在亲和性,在处理有机废水时,纳滤膜表面很容易受到污染。目前,研究者主要将精力集中在改善膜亲水性来提升纳滤膜的抗污染性,但是亲水性的提升只能从一定程度上缓解膜污染,并不能从根本上解决问题。

  针对纳滤膜在运行过程中存在的关键问题,孙世鹏教授团队通过膜结构设计与功能化改性相结合,成功制备了兼具缓解浓差极化与光催化自清洁性能的双功能纳滤膜。为了避免因催化剂的高比表面积而加重对污染物的吸附,作者将具有光催化活性的碳量子点作为中间层,使纳滤膜在可见光下具有自清洁能力。为了消除碳量子点活化过程中氢氧化钠的加入给界面聚合过程带来的不利影响,作者利用碱性条件下自聚的多巴胺作为氢氧化钠的吸收剂,从而实现多巴胺和碳量子点之间的协同调控,使纳滤膜在可见光下具有自清洁能力的同时,具有一定的缓解浓差极化的性能。

图1 碳量子点和多巴胺协同调控制备自清洁纳滤膜的示意图

图2 不同膜的表面形貌. (a) TFCs; (b) CQDs-TFCs; (c) PDA-CQDs-TFCs; (d) 不同膜的性能对比图。

  作者对界面聚合过程进行了探究,从反应机理出发分析了不同形貌的成因。通过调控不同的实验条件以及理论计算,对不同膜表面形貌以及对应的性能进行分析,证实了粗糙的膜表面结构会加重纳滤膜的浓差极化现象。通过多巴胺与碳量子点协同调控控制界面聚合过程,形成表面更加平滑的纳滤膜能够在一定程度上缓解因浓差极化带来的通量衰减。

图3不同膜的结构分析。(a) 电位;(b)孔径; (c)结晶度; (d) 表面润湿性。

  通过对改性前后的纳滤膜进行一系列表面性质和内部结构变化的分析,结合改性前后纳滤膜的性能变化,该团队提出了纳滤膜结构对浓差极化现象影响的可能机理。纳滤膜主要依靠荷电离子与膜表面的共离子之间的相互排斥来实现对盐的分离。当膜表面比较光滑时,近膜面的荷电离子可以快速扩散到本体溶液中。当膜表面比较粗糙时,因结构的错综复杂和道南效应,荷电离子会在粗糙的结构中聚集,使近膜面的渗透压增大,有效跨膜压差减小,进而加重浓差极化现象。

图4 不同结构的膜表面对浓差极化现象的影响

  该团队进一步研究了碳量子点作为中间层对膜光催化性能的影响。发现对于具有相近分子量,电性相反的亚甲基蓝和金橙II两种不同染料,因道南效应的影响,该膜对具有相反电性的亚甲基蓝表现出更好的光催化降解能力。并且,该膜在两次光照以后,表现出了稳定的自清洁性能。

图5 不同膜的稳定性以及光照前后膜表面污染对比图。

  相关成果以“Self-cleaning Nanofiltration Membranes by Coordinated Regulation of Carbon Quantum Dots and Polydopamine”为题发表在著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为南京工业大学大发排列3学院博士生邵丹丹,通讯作者为孙世鹏教授

  以上工作得到了国家青年千人计划,江苏省杰出青年基金,国家自然科学基金面上项目等资助。

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b16704

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