Science报道南京理工大学张轩教授团队在反渗透膜领域最新研究进展

2024-04-19来源:环境与生物工程学院作者:张轩/文 张俊 陈鑫荣/图 审核人:李健生 龙旭伟编辑:李英阅读:7289

北京时间4月19日,Science(《科学》)以“More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination”为题,报道我校环境与生物工程学院张轩教授团队在反渗透膜研究方向的重要进展(论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0632)。姚宇健博士为论文第一作者,张轩教授、东北师范大学王宪泽副教授、美国耶鲁大学化学与环境系Menachem Elimelech教授为论文共同通讯作者,南京理工大学为第一通讯单位。南京理工大学孙飞、张雯、李猛、沙刚、滕龙等人为论文共同作者。

海水淡化作为唯一能从源头上实现淡水资源开源性增量的技术,是解决全球水源短缺问题的首要选择,也是重塑我国“水安全”规划的重要组成部分。近年来,《中国制造2025》《海水淡化利用发展行动计划(2021-2025年)》等政策文件的出台也已明确将海水淡化产业纳入国家重大战略规划。

目前主流商业海水淡化膜的类型是复合聚酰胺薄膜(TFC-PA),其中美国杜邦公司、海德能公司、日本东丽等公司的产品占据全球市场绝大多数份额。尽管TFC-PA膜具有出色的“溶质-水”分离性能,但其在实际淡化工艺过程中仍面临诸多挑战。学界普遍认为目前制约反渗透领域发展的因素有四点:渗透性与选择性之间的权衡;对中性小分子的去除率不足;易受有机/无机物污染;对活性氯等氧化剂的耐受性低等问题。

针对上述膜材料在应用场景中的真实工程问题,张轩教授研究团队于2014年开始布局反渗透膜领域的材料革新,开展了大量应用基础研究。以提高膜材料化学耐受性为出发点,解析了传统反渗透膜结构在活性氯攻击下的降解路径,发现了聚酰胺型膜材料化学结构的“自证陷阱”,进而提出了一类聚酯型反渗透膜材料,从实验与模拟两方面共同论证了新结构的“本体耐氯”特性。

新一代聚酯反渗透膜的分离性能,耐污染及长期海水淡化运行性能数据

基于上述研究基础,团队将目光锁定于聚酯分离膜材料体系,并持续开展了结构创制与技术革新。设计并合成了一类间苯二酚衍生物—3,5-二羟基-4-甲基苯甲酸(DHMBA),借助“共溶剂辅助”界面聚合的制膜方法,提高了反应物从水相迁移至有机相的扩散速率,构建了无缺陷、且具有优异“水/盐选择性”的三维网络聚合物薄膜结构,验证了材料优异的反渗透基础分离性能(与Dupont公司SW30系列海淡膜相当)。进一步的模型实验研究结果表明,DHMBA型聚酯反渗透膜材料在脱硼率、耐氯性、抗有机污染、抗无机结垢等海水淡化关键评价指标方面均表现出色,综合性能在多维度超越行业标杆。

独特的分子结构与巧妙的制备工艺共同造就了DHMBA型聚酯反渗透膜的优异性能。其中,羧基与酚羟基赋予了反应物的自聚合特点,1,3,5-三取代的结构抑制了苯环的直接氯化反应路径,而甲基的引入则提供了空间位阻,增大了模型化合物的扭转势能(DFT论证),从而延缓了酯基在碱性条件下的水解。进一步的表征分析表明新膜材料活性层的厚度远低于商业膜,且表面粗糙度仅为2.36±0.32 nm。聚合物的高交联度及封端技术减少了膜表面的官能团数量,阻碍了硼酸分子在膜内的扩散、降低了污染物在膜面的附着概率,强化了材料的抗污染特性。最后,由于DHMBA型聚酯反渗透膜沿用了现有商用膜的生产工艺,提升了其规模化生产的可行性,这对反渗透行业的发展具有里程碑意义。

论文在投稿过程中也得到了来自编辑和审稿人的共同认可。审稿人认为:“这是一份高质量的工作,描述了令人印象深刻的膜设计与制备方法。尤其是与行业标准SW30膜相比,新膜材料的具有的氯稳定性、对无机晶体沉积的抵抗力和抑制作用(This is very high quality work, and the paper describes a membrane formulation that has impressive performance metrics (especially chlorine stability compared to an industry-standard SW30 membrane, resistance to inorganic crystal deposition, and boron rejection)”;“聚酯膜可能能与最先进的聚酰胺反渗透膜竞争主流市场,这代表了自80年代Film Tec发明以来反渗透膜研究的里程碑前进(It appears to be the first polyester membrane that could eventually compete with, or even outperform state-of-the-art polyamide RO membranes, representing a milestone advance for the RO research (since the invention of Film Tec in the 80s) ”。

上述研究得到了国家自然科学基金及江苏省自然科学基金的资助。此外,研究工作还得到了中科院化学研究所张平霞研究员、东北师范大学霍明昕教授、南开大学曹天池副教授、韩国高级科学技术研究所Chan hee Boo教授的指导和帮助。南京理工大学分析测试中心提供了部分测试及技术支持。相关技术已申请中国发明专利2项,并获授权(ZL 201911277839.9,ZL 201911270642.2)。

论文第一作者:姚宇健,南京理工大学环境与生物工程学院博士生(2016–2021),博士后创新计划获得者。以第一作者身份在Science, Nat. Sustain., Environ. Sci. Technol.等期刊发表SCI收录论文5篇。主持国家及省部级自然科学基金等科研项目2项。

通讯作者:张轩,南京理工大学环境与生物工程学院教授、博士生导师,研究方向为水处理分离膜的材料革新与过程理论。先后主持国家及省部级科研项目10项,企业合作研发课题3项,入选Journal of Membrane Science期刊编委。以第一/通讯作者身份在Science, Nat. Sustain., J. Membr. Sci., Environ. Sci. Technol.等期刊发表SCI收录论文58篇,编写英文专著2部,授权中国发明专利8项。