层层自组装法调控滤膜表面性质及其抗膜污染机理研究

The application of membrane technologies in desalination, water and waste water treatments shed light on relieving the global problem of freshwater shortage. However, irreversible membrane fouling obstructed the utilization of membrane. Thus, development of antifouling membranes, especially through precisely controlled surface modification approaches, and antifouling mechanism study are the key topics but still in the infant stage of the field. The main focus of this project is to precisely tune membrane surface properties using layer-by-layer assembly and subsequently study the antifouling mechanisms of the modified membranes. In this project, novel functional polyelectrolytes with different surface free energies will be synthesized and assembled on membrane surface to form multilayers in controlled conditions. The relation between the composition, quantity of functional groups in the assembled polyelectrolytes and the shifted surface properties (wettability, surface charge and roughness) of a membrane surface will be studied. Representative organic and biological foulants with different hydrophilicity and surface charge will be used to study the contributions of different surface properties to antifouling effects of the modified membranes. In general, the mechanisms behind design of the functional polyelectrolyte, tuning of the membrane surface properties and improvement of the antifouling performance will be studied and revealed, which may guide the development of non-fouling membranes for advanced water treatments.

水资源短缺是全球性环境问题，滤膜技术在水处理、海水淡化中的应用引起极大关注。但不可逆膜污染是滤膜应用和性能优化的主要瓶颈，其关键科学问题是滤膜表面性质的精确调控方法及其抗膜污染的微观机理，国际上相关研究尚处于起步。本项目旨在探明利用层层自组装法精确调控滤膜表面性质及其抗膜污染的作用机理；拟合成具有不同表面自由能的新型功能聚电解质作为基材，利用层层自组装法在滤膜表面构建多层功能薄膜，探讨聚电解质官能团种类、数量以及自组装条件对滤膜的亲疏水性、表面电荷和微纳粗糙度的影响；选择不同种类(如溶解性有机质、微生物)、性质(如亲疏水性、表面电荷)的典型污染物，研究改性滤膜的抗污染性能及影响因素；重点探讨滤膜表面微纳结构及性质与抗污染性能之间的构-效关系，揭示聚电解质基材设计、表面性质构建、抗污效能调控三方面的微观机理，为研发新型的抗污染滤膜及其水处理应用提供理论依据。

该项目研究了电性&亲水性二维可控氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的选择性分离和抗污染性能；pH响应型氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜构筑及其应用；相同组分聚合物添加剂分子结构变化调节滤膜表面亲水性的方法。.主要创新点如下：.（1）探明了氧化石墨烯-聚乙烯亚胺对共混法制备复合膜的结构、性质调控以及对分离性能的影响、作用机理和构效关系。通过共价交联制备了带正电荷的氧化石墨烯-聚乙烯亚胺（GO-PEI），然后以GO-PEI为添加剂制备了表面电荷和亲水性可控的氧化石墨烯-聚乙烯亚胺荷电纳米复合膜（NCM），并通过水通量、截留率、静态吸附能力等系统地评价了NCM的渗透性、选择性和抗污染性能的变化，探索了NCM在水体净化领域的应用价值。.（2）基于定向层层自组装，精确调控氧化石墨烯和聚乙烯亚胺复合膜的表面性质和内部结构，阐明了氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的pH响应特性及机理。以原位AFM为手段，探明了GPM的表面性质和内部结构对pH的响应，发现在低pH条件下，PEI的氨基质子化会使相邻氨基之间产生静电斥力，使PEI处于链伸展的状态，使得氧化石墨烯-聚乙烯亚胺复合膜的层间距增大。同时PEI的质子化与去质子化过程使GPM的厚度、孔径大小、水通量均随环境pH升高而降低，且具有优异的可逆性和循环性能。通过调节进水的pH，可以实现对GPM孔径的连续调节，用于混合污染物的分离。.（3）通过对添加剂分子结构的精确调控实现了对滤膜亲水性的调节，并利用宏观的水接触角和微观的AFM粘附力谱探究其构效关系。当亲水单元的总量一样时，将聚合物的亲水分子刷由密集的短链变为分散的长链，能有效提高膜的表面亲水性、抗污染能力，能更大限度地发挥亲水单体的改性效率。该研究可为滤膜改性中设计亲水添加剂分子结构，以提高其改性效率提供理论指导。.该项目已完成计划研究内容和各项指标。发表影响因子大于5的SCI论文4篇，其中两篇发表于环境领域国际权威期刊ES&T。培养硕士研究生5人。参加国际会议5人次，国内会议4人次。