磁敏性正渗透膜的构建及其对浓差极化和污染的抑制机理

Incorporation of Fe3O4 nanoparticles (NPs) to the top layer of thin-film composite membrane is proposed for mitigation of internal concentration polarization (ICP) during forward osmosis process. The micro-vibration of top layer is induced by an external magnetic field, reinforceing the convection of fluid. NPs are immobilized on polysulfone (PSf) membrane by reactive deposition, and the influence on permeability and antifouling property is studied. Fe3O4 NPs are incorporated into the top layer via interfacial polymerization. By deep studying the relation between external magnetic field and osmosis permeability, the mechanism of ICP and fouling mitigation will be expounded. This research provides a new route for reducing ICP effect, and also presents significant directive function for the development of new membrane process.

针对正渗透过程中的内浓差极化问题，提出了将Fe3O4纳米粒子引入到界面聚合层内或界面聚合层下方，通过磁场的变化触发界面聚合层的微振动，实现同时抑制污染和内浓差极化的效果。通过反应性沉积，实现无机纳米粒子在膜表面的均匀分布，得到沉积层对膜渗透性和抗污染性能的影响规律；通过界面共聚合，引入Fe3O4磁性纳米粒子，发现影响复合膜截留性能和通量的规律；阐明磁场对磁敏性复合膜的内浓差极化和污染性能的影响规律和作用机理，制备出高性能的正渗透膜。相关研究是解决正渗透内浓差极化的新途径，对新型膜过程的开发也有一定的指导意义。

膜法海水淡化和污水处理技术是解决当今水资源短缺和环境污染的一种重要方法，而处理效率是决定该技术发展的一个重要因素。本项目通过反应性接枝，实现了无机纳米粒子在膜表面的单层均匀分布，纳米粒子在机械摩擦作用下仍保持稳定。以该纳米粒子改性膜为基膜制备的纳米复合膜具有显著提高的渗透性能，水通量可达30L·m-2·h-1·bar-1。另外，研究了影响界面聚合层形貌的因素，实现了表面形貌从球形到蠕虫状的可控调节，并得到了表面形貌对渗透性能的影响规律和机理。提出了将大孔荷电膜用于正渗透过程的思路，该膜在0.3% CaCl2溶液中的正渗透通量高达30 L·m-2·h-1，而盐通量保持在较低水平，这拓宽了正渗透膜的选择范围。进一步通过表面纳米粒子沉积法制备出了Janus膜，可以用于油/水和水/油两种乳液体系，截留率都可达99.5%以上，同时抗污染性好。相关研究为海水淡化和污水处理用膜的性能提升提供了一个有效方案，对新型膜过程的开发也有一定指导意义。