生態(tài)危機(jī)和淡水資源匱乏迫使人們亟需對工業(yè)排放高鹽廢水進(jìn)行脫鹽再利用以及淡化高鹽海水以獲取可飲用水資源,而基于超薄膜的膜分離技術(shù)使這一切成為可能。超薄膜致密的多孔結(jié)構(gòu)和存在的電荷可通過尺寸篩分和道南排斥效應(yīng)有效隔絕離子,加之膜厚所賦予的超短水傳輸路徑,因此可在低能耗條件下實現(xiàn)高效的水—離子選擇性分離。
雙液相界面聚合是用以制備超薄離子分離膜的有效方法,有限的兩相界面反應(yīng)區(qū)域和可控的兩相單體擴(kuò)散是形成表觀無缺陷超薄膜的基礎(chǔ)。經(jīng)典的聚酰胺(PA)超薄膜即通過胺單體和酰氯單體在水—油界面處的Schotten-Baumann縮聚反應(yīng)制備,已被廣泛使用于納濾、反滲透的眾多應(yīng)用場景中。然而,自PA膜體系提出后的數(shù)十年中,研究者們更多的是致力于PA膜分離機(jī)制的理論研究、分離性能的提升和制備工藝的技術(shù)優(yōu)化,其他可在兩相界面處聚合成膜的反應(yīng)形式和分子結(jié)構(gòu)卻很少得到關(guān)注,以至于PA體系之外的離子分離超薄膜的種類非常有限。
因此,蘇州大學(xué)靳健教授、中科院蘇州納米所朱玉長副研究員近期基于“點擊”化學(xué)模塊化組合化學(xué)和反應(yīng)快速高效的特點,提出了一種基于硫醇—烯烴加成反應(yīng)的“點擊”界面聚合用以制備新型聚硫醚離子分離超薄膜。在水—油兩相界面處,含雙巰基的二硫蘇糖醇單體可分別與含烯丙基、炔基、丙烯酰胺或丙烯酸酯基團(tuán)的多官能化單體通過硫醇-烯烴加成型“點擊”化學(xué)發(fā)生界面聚合反應(yīng),形成以硫醚鍵鍵接的聚硫醚聚合物。聚合反應(yīng)可根據(jù)單體的雙鍵類型選擇紫外光催化的自由基加成機(jī)理或堿催化的邁克爾加成機(jī)理進(jìn)行。單體在兩相中的分布僅依據(jù)單體的溶解性,因為單體自身和反應(yīng)均對水不敏感。特別地,二硫蘇糖醇(DTT)與三聚氰酸三烯丙酯(TAC)或異氰脲酸三烯丙酯(TAIC)可在界面處形成半透明、均勻無缺陷且力學(xué)強(qiáng)度好的聚合物薄膜,因此可通過在聚醚砜超濾膜襯底上的原位界面聚合制備聚硫醚薄膜復(fù)合(TFC)膜用于離子分離。TAC-DTTTFC膜分離層的有效平均孔徑達(dá)到了納濾的分離精度,且膜表面在酸性和堿性條件下均維持荷負(fù)電性,因此對1000ppm的Na2SO4水溶液可實現(xiàn)94%的鹽截留率。膜孔徑和分離性能還可以通過兩相單體的配比進(jìn)行調(diào)控,因此Na2SO4的截留率可達(dá)到95%以上。TAIC-DTTTFC膜在具備以上特性的同時,還體現(xiàn)出優(yōu)異的耐酸特性,即可耐受20w/v%的硫酸水溶液浸泡15天,依然維持分離層化學(xué)、結(jié)構(gòu)和離子分離性能的穩(wěn)定性。
因此,采用“點擊”界面聚合制備離子分離膜的嘗試將有助于激勵新型離子分離超薄膜材料的開發(fā)以及結(jié)構(gòu)種類多樣性的擴(kuò)展。
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