基于树形大分子的高性能反渗透混合基质膜研究

Nanomaterial-based mixed-matrix method is an effective approach to fabricate high performance reverse osmosis (RO) membrane with high water flux, ideal salt rejection ratio, and antifouling property. However, it still remains a big challenge to precisely control not only the size and dispersity of the nanomaterials but also the compatibility between the nanomaterials and the polyamide matrix. This project aims to design and synthesize several dendritic macromoleculars as organic nanomaterials and then introduce them into the selective separation polyamide layer for novel high performance reverse osmosis membranes. The target dendritic macromolecules with small size, favorable dispersity and compatability will be prepared in a controlled way via optimization of synthesis conditions. The interfacial polymerization reaction process will be controlled and adjusted with a deep insight in the effects of dendritic macromolecules on the interfacial reaction. Based on these results, the relationship of the structure of dendritic macromolecules and the performances of the RO membranes will be explored. Furthermore, the molecular simulation will be used to investigate the possible mechanism of promoted transmission action with particular selectivity and permeability derived from the incorporation of dendritic macromolecules in RO membrane. In summary, the present work will demonstrate a novel mixed-matrix approach incorporated with dendritic macromolecules to develop the high performance reverse osmosis membranes, which will give a new light on the fabrication of novel functional RO membranes.

基于纳米材料的混合基质方法是制备兼具高通量、高截留和耐污染的高性能反渗透复合膜的有效手段，但制膜过程中面临的最大挑战在于如何精密控制纳米材料的尺寸、分散性及其与聚合基质间的相容性。本项目旨在设计、合成多种具有特殊结构的树形大分子作为有机纳米材料引入到聚酰胺选择性分离层中，以制备高性能的反渗透复合膜。优化合成条件，实现目标大分子的可控制备，获得粒径小、易分散、相容好的树形大分子有机纳米材料；探索树形大分子对界面聚合反应过程的影响规律，优化制膜工艺，建立有效的调控方法；阐明树形大分子结构与混合基质膜性能的构效关系及其与制膜工艺的协同调控机制；进一步采用分子模拟方法深入揭示树形大分子对混合基质膜选择渗透行为的作用机理，以指导高性能反渗透膜的可控制备。本项目有望为我国反渗透复合膜的创新发展提供新思路并揭示新规律。

基于纳米材料的混合基质方法是制备兼具高通量、高截留和耐污染的高性能反渗透复合膜的有效手段，但面临的最大挑战在于如何精密控制纳米材料的尺寸、分散性及其与聚合基质间的相容性。本项目从分子设计的角度出发，成功合成了三种不同结构且与聚酰胺基质相容好的树形分子包括树枝状均苯三甲酰胺-胺（TMAAM）、贯穿型两亲性超支化聚酯酰氯（HPE-COCl）和核壳型两亲性超支化聚醚酰氯（HBPO-star-PEO-COCl）用作有机纳米材料改性常规聚酰胺复合膜。系统研究了聚砜底膜、树形分子、聚合方式对界面聚合过程、聚酰胺分离层微结构及复合膜性能的影响规律，形成了特定的制膜方法与调控策略包括溶剂活化法、二次交联法、混合胶束调节法等，并建立了基于树形分子-聚合过程-复合膜结构与性能的多级协同调控机制，成功创制了四种高性能聚酰胺混合基质复合膜，包括：①基于TMAAM的高通量耐污染纳滤膜其水通量提升约60%（高达72.3LMH），BSA污染试验后通量恢复率高于90%；②基于HPE-COCl的高通量高脱盐反渗透膜其水通量提升约50%，且脱盐率略微上升；③基于HPE-COCl高通量高选择性的纳滤膜其水通量提升约1.45倍（达78LMH），对一价盐和二价盐、重金属盐及染料的分离选择性均显著提升，并具有好的酸洗、碱洗稳定性；④基于HBPO-star-PEO-COCl的高通量反渗透膜其水通量提升至69.8LMH，脱盐率达99.2%。通过自主开发的建模软件MembrFactory构建了全原子结构的反渗透复合膜模型，采用分子动力学模拟研究了聚酰胺分离层对小分子的渗透分离机理，并揭示了碳纳米管掺杂提升水通量的内在机制，为基于树形分子的高性能聚酰胺混合基质复合膜的创新制备与分离机理探究提供了理论参考依据。本项目有望为我国反渗透、纳滤、正渗透等聚酰胺复合膜的创新发展提供新思路、新方法。