可控离子化聚酰胺纳滤膜的构建与服役过程结构演变研究

Nanofiltration (NF) is a versatile separation technology; however, the increasing need for high efficacy separation of complicated feed systems is hardly met as a result of the relatively limited types of NM membrane materials. A novel concept of “interfacial embedding-ATRP, IE-ATRP” is proposed as the core technology of this project, whereby new monomers embedded with ATRP initiator (halogen containing groups) is synthetized and interracially polymerized to prepare novel polyamide NF membranes. Subsequently, surface initiated ATRP grafting of ionic monomers is conducted directly, yielding NF membranes with controlled ionic structures upon tailoring ATRP conditions and monomer structures. The membranes will be studied for separation of ion/ion, and ion/organic mixtures. Dielectric relaxation spectroscopy (DRS) and Positron annihilation lifetime spectroscopy (PAL) will be exploited to obtain an in-depth understanding of the structure-performance relations of membranes under NF operation conditions, such as ion-polymer interactions and free volume properties in wet state. The knowledge obtained will sever as an effective guide for rational design of new membranes with high performance and long-term stability. This project will open up a new avenue to high performance NF membranes and establish new characterization technologies, for which it holds unambiguous importance for fundamental research and practical implications.

纳滤膜（NF）在分离与提纯领域应用广泛，但目前相对单一的膜种类不能满足日益复杂的分离体系和高性能要求。本项目提出“界面包埋-可控引发”新策略，在界面聚合反应过程中，原位嵌入包埋原子转移自由基聚合（ATRP）引发剂，通过一步ATRP引发获得可控离子化NF膜。通过调控ATRP聚合条件和离子基团种类，构筑表面离子基团密度和链长可控的NF，应用于不同价态离子和离子/有机物特种分离。为深入理解服役条件下NF的精细微结构和构效关系，设计用介电松弛谱和正电子湮灭技术研究服役中NF与被分离物质间的相互作用、离子化功能层和本体自由体积变化等，进而获得被分离物质对膜吸附、污染和分离的规律。建立离子化NF的制备与调控方法，为针对不同分离体系而设计高效分离和持久应用的NF提供理论指导。本研究提出了新型可控离子化纳滤膜的制备策略，设计了新型表征方法研究膜结构与性能，具有重要的科学意义和应用前景。

纳滤膜能够进行分子、离子、分子/离子体系的高效分离，应用广泛。决定纳滤膜性能的关键是膜的表面性质与分离层结构，针对不同分离体系实现膜表面荷电性的调控十分关键。本项目围绕调控纳滤膜表面荷电化，采用“界面包埋-可控引发”（S-ATRP）和表面分子反应新策略，两性离子单体界面聚合和功能化纳米材料杂化等方法，构建了系列纳滤膜，实现了膜表面离子基团种类、基团密度和链长的有效调控。采用红外、元素分析、XRD、DSC、SEM、AFM、Zeta电位等表征膜组成、结构、形貌和荷电性。制备的纳滤膜应该于离子分离和离子/有机物体系的分离，考察了离子种类、浓度、压力、温度、有机物种类和浓度，不同混合体系对膜性能的影响，分析了膜分离性能与结构的关系。深入考察染料、蛋白质，溶菌酶、腐殖酸等体系存在下纳滤膜的污染情况，探索了耐污染机制。结果表明，随着S-ATRP反应时间增加，纳滤膜表面聚合物接枝长度增加；膜表面BIBB含量增加，膜表面的聚合物接枝密度增加；功能化后纳滤膜通量和分离选择性均得到提升；荷正电的纳滤膜能够实现二价金属离子的高效截留；两性离子独特的正负电荷分子结构，能够结合大量的自由水分子形成水合层，具有良好的亲水性，能够降各种污染物子与膜表面之间的相互作用，降低膜表面的污染，同时污染后膜的通量恢复率可达95%以上。本项目研究获得了纳滤膜表面电荷种类和密度的构建方法，深入研究了膜结构的调控因素和污染机理，为构筑高性能的纳滤膜提供了指导，具有重要的科学意义和潜在应用价值。