超亲水性有机/无机纳米复合纳滤膜的仿生制备及其性能的基础研究

本项目仿生自然界有机/无机纳米复合材料的形成过程，在微孔基体上将天然高分子聚电解质交替沉积技术与仿生矿化原理相结合制备天然聚电解质/无机复合纳滤膜。研究微观层次上构筑具有超结构的多层纳米复合超薄膜及其微调控机理，考察复合膜结构和表面性能与其分离性能的关系，探讨有机物小分子和无机盐在复合膜中的传质机理，以获得结构和厚度可控、性能稳定，并具有超亲水性的新型复合纳滤膜及其制备方法。本项目的研究将促进和发展化学、化工、材料科学和仿生学等的融合及交叉，对改善环境、实现污水资源化利用具有重要的理论意义和广泛的应用前景。

本课题通过对天然聚电解质—羧甲基纤维素钠(CMCNa)和合成聚电解质的溶液性质及添加电解质对聚电解质荷电性的影响研究，得到各聚电解质自组装成膜过程中复合膜表面结构和电荷的调控规律，制备了荷正电、或者荷负电荷的聚乙烯亚胺(PEI)/聚苯乙烯磺酸钠(PSS)聚电解质复合膜，实现对带正电性的Ni2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+重金属离子、或荷负电性水体中天然有机物(NOM)的有效分离，其截留率均达95%以上。为有效改善聚电解质复合膜的长期运行稳定性和抗污染性能，采用自组装仿生制备方法制得三种有机无机复合纳滤膜。①采用低温溶胶法制得荷正电或者荷负电的锐钛矿型二氧化钛纳米粒子，将该纳米粒子分别与阴、阳离子聚电解质层层自组装，制备了荷正电的PEI-TiO2/PSS杂化纳滤膜和荷负电的PEI/PSS-TiO2杂化纳滤膜，其中，荷正电杂化膜对Ni2+和Cd2+的截留率达到85%以上，通量可达150 L∙m−2∙MPa−1∙h−1左右；荷负电杂化膜对二甲基酚橙和铬黑T的截留率可达96%以上，通量为133-140.4 L∙m−2∙MPa−1∙h−1左右；紫外光照射这两种杂化膜后，其接触角可以达到3.1°以下，显示超亲水性，这种超亲水性膜在长期运行过程中显示了良好的抗污染性和自清洁功能；②模拟自然界生物矿物的形成过程，采用自组装-原位生物矿化的方法制备了类贝壳状的PEI-PSS/碳酸钙有机无机复合纳滤膜，该复合膜对Ni2+、Cd2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+金属离子显示良好的分离性能，截留率均达到99%以上，通量为40 L∙m−2∙MPa−1∙h−1左右，且具有良好的长期运行稳定性；③在上述研究基础上，首次采用自组装-原位沉淀方法得到低成本的PEI-PSS/水化硅酸钙超亲水性复合膜，该方法仅通过组装层数或者硅酸钙浓度的调控就可实现超亲水性表面。研究表明，以石英或者玻璃为基体时，得到的超亲水性复合膜显示优异的防雾性能，且显示较好的防反射效果，在500-800nm的波长范围内对光的透过率可以达到99%以上；以聚丙烯腈超滤膜为基体时，制备的复合膜对染料罗丹明B和二甲基酚橙的截留率均达到96.0%以上，通量大于105 L∙m−2∙MPa−1∙h−1，并显示出优异的长期运行稳定性和抗污染性能。