基于聚酰胺膜的反渗透技术是实现海水淡化的有效途径之一。在聚酰胺膜中引入沸石分子筛、介孔二氧化硅、碳纳米管等纳米材料，可以提高复合膜的水通量。由于常见纳米材料与聚合物基质之间的界面相容性较差，在提高水通量的同时复合膜分离选择性会显著降低。针对这一问题，近期中科院青岛能源所江河清研究员团队利用胺基功能化的介孔聚合物球作为填充材料，通过调控介孔聚合物与聚酰胺基质之间的界面微结构，开发出具有较高水通量和高截盐率的纳米复合膜。
首先，该课题组采用软模板法合成了介孔聚合物小球（NMPS），其尺寸为66±5 nm，具有良好的单分散性、丰富的胺基功能基团以及较大的介孔孔径5.6 nm。这些特点为NMPS在聚合物膜中的分散以及提高复合膜性能奠定了基础。
图1.高性能纳米复合膜设计示意图
图2.介孔聚合物小球的表征;(a,b) TEM图, (c) NMPS溶胶照片, (d) NMPS尺寸分布图, (d) N2吸脱附等温线及孔径分布图
该团队进一步利用界面聚合方法制备了介孔聚合物球（NMPS）掺杂的聚酰胺纳米复合膜，并通过改变NMPS掺杂量，调控其与聚酰胺基质间的界面微结构。在16 bar测试压力下，考察纳米复合膜对NaCl溶液的分离性能，结果表明最佳的复合膜水通量达55 L m-2 h-1，比纯聚酰胺膜提高了62%，同时其截留率达98.7%，与聚酰胺膜持平。通过利用NMPS的丰富的介孔结构和胺基功能基团的优势，有效地克服了复合膜中通量和截留率之间的“trade-off”效应，实现了二者同时提高的目标。
图3.纳米复合膜分离性能图
此外，该团队还探究了纳米复合膜的分离机理。纳米复合膜的分离性能主要取决于聚合物连续相和纳米材料之间的相互作用关系。一定量的NMPS能均匀地分散于聚酰胺基质中且与聚合物间存在良好的界面相容性，在复合膜中引入介孔通道的同时保证分离层的完整性，因此能同时提高水通量和截留率；当大量的NMPS被掺入膜中，纳米材料首先形成较大的聚集体，因此其在聚合物基质中的分散性受限，同时会引入一些不可控的缺陷，造成截留率下降，膜性能衰减。这项研究工作为高性能纳米复合膜的设计和开发提供了一种新的思路。
图4.纳米复合膜分离机理探究
相关成果发表在《Journal of Membrane Science》(J. Membr. Sci., DOI: 10.1016/j.memsci.2019.117783)期刊上。论文的第一作者为中科院青岛生物能源与过程研究所博士生宋向菊，通讯作者为江河清研究员和王光辉研究员。
