分离膜在生产生活中的各个领域都有广泛应用。在有机分离膜领域,大部分的分离膜都是由聚合物制备而成。分离膜要在一定压力下运行,因此,低分子量的材料一般认为不适合用作分离膜。2010年,来自东京大学的科学家们提出了“水材料”这一概念,指通过大量非共价作用形成的超分子凝胶材料,水在其中起到了十分重要的作用。最近,以色列魏兹曼科学研究所Boris Rybtchinski教授课题组通过Nafion胶体在PP2b(一种两亲性的构建单元)非共价交联层上的自组装,制备了一种具有优异力学性能的膜材料,相关成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 上。
PP2b与Nafion的分子结构。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
膜的制备过程非常简单,在聚醚砜基膜上依次沉积PP2b与Nafion胶体。沉积Nafion胶体前PP2b层有50 µm厚,而沉积后该层缩小为5 µm,这是力学压实与Nafion层渗透压共同作用的结果。Nafion作为一种聚电解质其渗透压对PP2b层的压实起到至关重要的作用,另一方面,PP2b与Nafion的强度可以通过它们之间的疏水相互作用力协同增强。随着膜被压实,通量也由60 Lh-1m-1bar-1下降至3 Lh-1m-1bar-1,从电镜也可以观察到Nafion层疏松多孔而PP2b层较为致密。
PP2b/Nafion复合膜结构。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
上述分离膜表现出优异的离子截留性能,其对Ni2+、Co2+、Pd2+、Cd2+等离子的截留率均在99%左右,明显高于目前所报道的分离膜。
例如,在存在NaCl的溶液里,膜对Cd2+的截留达到99.5%。通过对膜截面的分析,发现被截留的Cd2+均存在于Nafion层中。对于Ni2+,尽管有文献报道的截留率能达到95%-100%,但其必须在一定的pH范围内分离,而这份工作中的杂化膜则不受pH的限制。与吸附类型的分离膜相比,吸附型分离膜在高浓度下分离效率较高,但在低离子浓度下效果较差,而本文报道的杂化膜在高浓度与低浓度下均有较好的表现。
截留Cd2+后膜界面的元素分布。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
除了重金属离子,杂化膜也能用于有机小分子的分离。对于一些荷电的有机小分子如染料,传统的分离膜往往通过静电效应对其进行分离,而本文报道的杂化膜对荷电的与中性的小分子均能完全截留。通过实验研究者们发现,PP2b对截留起到了主要的作用,其截留尺寸小于1 nm。值得一提的是,杂化膜可以在有机溶剂中解组装,重新回收利用,这一特点具有解决膜表面不可逆污染问题的潜力。
杂化膜对不同荷电态染料分子的截留效果。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
杂化膜的耐压性也较为优异,特别是在逐步升压的条件下,膜会被逐步压实,最高能耐40 bar的压力。不过,分离膜具有优异力学性能的微观机理尚待研究。
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Robust Aqua Material: A Pressure-Resistant Self-Assembled Membrane for Water Purification
Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2203-2207, DOI: 10.1002/anie.20161028
(本文由YHC供稿)