基于新颖多孔支撑底膜的超薄分离层TFC膜及高通量脱盐研究

With ever-increasing global water crisis, desalination of seawater and brackish water by membrane technology (such as nanofiltration and reverse osmosis separation technology) would offer an alternative and steady security fresh water resource. However, due to the relatively low permeating flux of traditional TFC membrane, the cost for desalination is high, which severely impede the development of seawater desalination in practical application. Hence, we should design and prepare novel membrane for high-rejection and high-flux seawater desalination. In this project, ultrathin single-wall carbon nanotube (SWCNT) membrane with high porosity, uniform pore size and smooth surface will be used to replace the traditional polymeric support to fabricate thin-film composite (TFC) membrane via interfacial polymerization. We will optimize the pore structure and surface wettability of SWCNT membrane to achieve an ultrathin and defect-free selective layer (the thickness of selective layer is less than 50 nm) on the surface of SWCNT membrane. This novel SWCNT membrane supported ultrathin selective layer would break the limitation of the permeating flux of traditional TFC membrane and exhibit an ultrahigh permeating flux for seawater desalination. We believe that this project would give a new strategy to design novel TFC membrane for higher energy-efficiency seawater desalination.

面对日益加重的全球水资源危机，基于膜分离技术（纳滤、反渗透、正渗透等）的海水淡化无疑将成为人类社会较为重要的淡水来源途径。然而现有的膜分离材料脱盐分离通量较低，导致目前海水淡化成本居高不小，严重阻碍了海水淡化技术的推广和发展。因此需要发新型高通量、高截盐率海水淡化用分离膜材料。本项目拟从TFC膜的支撑底膜的设计出发，脱离传统的聚合物基支撑底膜体系，采用由单壁碳纳米管构成的超薄多孔膜作为支撑底膜，利用其高孔隙率、均一的纳米尺度孔径和平整的表面结构，并通过对支撑底膜孔径和表面性质的调控，制备具有超薄（厚度小于50 nm）、无缺陷分离层的高通量TFC膜，突破现有TFC膜的分离性能限制，实现更高效能的海水脱盐。为开发高效节能的海水淡化技术提供新的膜材料制备方法和策略。

面对日益加重的全球水资源危机，基于膜分离技术（纳滤、反渗透、正渗透等）的海水淡化无疑将成为人类社会较为重要的淡水来源途径。然而现有的膜分离材料脱盐分离通量较低，导致目前海水淡化成本居高不小，严重阻碍了海水淡化技术的推广和发展。因此需要发新型高通量、高截盐率海水淡化用分离膜材料。本项目从TFC膜支撑底膜的设计出发，采用由单壁碳纳米管构成的超薄多孔膜作为支撑底膜，利用其高孔隙率、均一的纳米尺度孔径和平整的表面结构，并通过对支撑底膜孔径和表面性质的调控，制备具有超薄（厚度小于50 nm）、无缺陷分离层的高通量纳滤膜以及反渗透膜，突破现有TFC膜的分离性能限制，实现更高效能的脱盐应用。项目研究过程中，我们开发出了基于MOF纳米粒子牺牲模板法制备超高通量纳滤膜，所制备得到的纳滤膜其分离通量高达53.2 Lm-2h-1bar-1，对Na2SO4截留＞95%，综合脱盐性能位居世界前列。此外，在研究过程中，为了克服制备单壁碳纳米管超薄多孔膜对于微滤孔径的依赖情况，我们还在课题主要研究内容之外，扩展性的开展了高通量均匀微孔膜的设计与制备，从而为优化单壁碳纳米管多孔膜的制备过程提供必要的支撑。同时，为了克服单壁碳纳米管多孔膜亲水性不足、具有生物毒性这些问题，我们还针对性的扩展了利用细菌纤维素纳米纤维替代单壁碳纳米管，实现高通量、高截留率TFC纳滤膜的制备及相关脱盐性能研究。在本项目的资助下所取得的一些列研究成果为开发高效节能的新型TFC膜材料提供了全新的研究策略。