具有离子通道效应的陶瓷纳滤膜构建基础研究

基于人工合成离子通道研究对纳米通道和离子结合位点的理解，以开发具有离子通道效应的陶瓷纳滤膜为目标，本项目拟采用陶瓷纳滤膜的刚性孔道替代人工合成离子通道的纳米孔道，并将有机官能团引入孔道内，作为离子结合位点，以提高陶瓷纳滤膜的离子选择性和传输速率。重点围绕陶瓷纳滤膜微结构的有效调控以及官能团接入对纳米孔道传输特性的影响这两个关键问题，以不同离子半径和水化因子的一、二价离子分离为研究对象，开展以下两个方面的研究：（1）通过对不同溶剂环境下模板剂快速聚集行为的深入研究，实现对陶瓷纳滤膜孔径和孔径分布的有效调控，探讨膜微结构与离子分离性能之间的构效关系；（2）采用化学接枝和光化学接枝的方法将羟基、氨基和苯环等具有共轭效应效应和诱导效应的官能团引入纳米孔道内，研究离子结合位点对纳米通道宏观性能和传输行为的影响规律，揭示具有离子通道效应的陶瓷纳滤膜的分离机理，为高性能陶瓷纳滤膜的开发研究奠定基础。

纳滤(nanofiltration NF)是20世纪80年代末期发展起来的分离过程，是介于反渗透与超滤之间一种以压力为驱动的新型膜分离过程。陶瓷纳滤膜由于具有更好的热稳定性和结构稳定性，在生化产品精制等领域具有良好的应用前景，但目前陶瓷纳滤膜的离子选择性较低，限制了其应用领域。本项目借鉴人工合成离子通道方面的研究进展，利用陶瓷纳滤膜的刚性孔结构代替人工合成离子通道结构中的纳米孔道，并通过官能团的接入开发出高离子选择性的陶瓷纳滤膜。项目执行期间主要围绕陶瓷纳滤膜的微结构控制和表面功能化两个关键问题，在以下三个方面展开研究工作：一是通过对软物质模板剂自组装行为的研究，探索陶瓷纳滤膜刚性纳米孔道的调控方法，制备出了孔径在1-5nm的系列陶瓷纳滤膜；二是采用化学接枝、紫外光接枝等方法，将苯羟基、氨基等活性官能团接枝到陶瓷纳滤膜上，研究了官能团对纳米孔道特性的影响；三是以单价离子和二价离子的分离为研究体系，系统的考察接枝改性对陶瓷纳滤膜宏观性能的影响。制备出了孔径小于5nm的TiO2、SiO2-TiO2、Ce-N-C-TiO2、La-TiO2和ZrO2-TiO2陶瓷纳滤膜，并通过表面改性技术将氨基、磺酸基等官能团接枝在超滤膜的表面，制备出具有离子分离性能的纳滤膜。主要解决的关键技术和创新点如下：1.通过对溶胶 演变行为的研究，首次在碱性环境下制备出可见光响应型的高性能N-TiO2膜材料，提出了弱碱性环境下的薄膜形成机理，并通过元素掺杂制备出Ce-TiO2和La-TiO2膜。2.提出了纳米增韧模板化溶胶的方法，解决了溶胶凝胶胶法制备陶瓷纳滤膜过程中膜层易开裂的问题。3.制备出了具有离子截留性能的纳滤膜，提出了离子在纳米孔道内传质的电压门控机理，并在电场强化条件下实现了一二价离子的有效分离。申请了国家发明专利3件，1件获授权。在Journal of Material Chemistry、ACS applied materials & interfaces、Journal of Colloid and Interface Science等杂志上发表文章10篇，并被引用97次。受邀在膜领域的顶级国际会议ICOM2014上做主题报告。本项目的研究为复杂纳米孔道内流体流动行为和高性能陶瓷纳滤膜的开发研究奠定了基础，针对具体考核指标全面完成项目任务。