超滤/吸附双功能膜的构建及其对复合微污染物的同步去除机制

Removal of multiple micropollutants from aqueous solution in a facile way with less energy and lower costs is crucially desired. This project dedicates to investigation of constrction of ultrafiltration/adsorption dual functional membrane (UADFM) and further examination of the simultaneous removal mechanism on multiple micropollutants from water. Based on the structure design, a novel UADFM is developed by entrapment of nano-adsorbents with porous hollow structure into the inherent finger-like pores of asymmetric polymeric ultrafiltration (UF) membrane. The introduction of nano-adsorbents endows the polymeric UF membranes with excellent adsorption ability and negligible filtration resistance increase. The performance and mechanism on simultaneous removal of multiple micropollutants from water will be evaluated by filtration of solution containing heavy metal, organic pollutant and colloid particles. The rejection properties of micropollutant with large dimention at the interface of skin layer on UADFM will be analyzed. The bi-interface adsorption mechanism of heavy metal and organic micropollutant on porous hollow nanoadsorbent as well as the long term running of UADFM will be investigated. Then, more attentions will be focused on elucidation of structure- performance relationship, i.e. the structural properities of UADFM and performance of simultaneous removal of multiple micropollutants. The simultaneous removal mechanism on multiple micropollutants from water will be elucidated. Through persuing these scientific issues derived from engineering application, it should be possible to gain a breakthrough in new fundenmental for purification of multiple micropollutants in water. Thus, this project will offer technical support for UF membrane applications in safety of drinking water and reuse of industrial wastewater.

复合微污染物的高效去除是当前水污染控制领域的重要课题。本项目提出构筑兼具超滤和吸附双功能膜并开展其对水中复合微污染物同步去除机制的研究设想。从结构设计出发，在非对称聚合物超滤膜固有的指状孔空腔内引入具有多孔中空结构特征的纳米吸附剂，以保留超滤膜对大分子物质的截留性能，并赋予其对小分子污染物的吸附能力。以重金属、有机污染物、胶体粒子等多组分体系为对象，开展多目标污染物的同步去除效能及机制研究。通过考察超滤膜皮层界面处大尺度污染物的截留性能、探究指状孔内重金属/有机微污染物等在中空吸附剂多孔壁内外的双界面作用机制、评估双功能膜稳定运行效能，以揭示多孔中空吸附剂组成、性质及皮层多孔特性、指状孔比例等参数与多目标污染物去除之间的构效关系，并阐明水中复合微污染物同步去除机制。通过探究这些科学问题，可望在复合微污染物高效净化方法上有所突破，为膜法水处理工艺在饮用水安全和污水回用领域的应用提供技术支撑。

本项目针对复合微污染物的高效去除的难题，开展了构筑双功能超滤膜并探究其去污效能与增效机制的研究工作。从膜基体的设计出发，打破了膜通量与截留性能的Trade-off现象，实现二者的同步提高，构建高性能的超滤膜；开展纳米材料结构设计，形成一系列中空纳米材料，以提高污染物去除效能；以耦合纳米粒子与膜过程为重点，实现双功能膜的可控制备与结构调控，考察了其对多组分污染物的处理效能；通过探究双功能膜这一微界面上典型目标污染物尺寸排阻及其吸附降解行为与反应机制，揭示聚合物膜孔内传质及限域增效机理，诠释了双功能膜结构调变与目标污染物高效同步去除之间的构效关系。通过这些科学问题的研究与探索，提出了双功能超滤膜的新概念并获得了高纳米粒子负载量的双功能膜的构筑方法以及结构调控手段。应用结果显示双功能超滤膜稳定运行，实现了低压下多组分污染物的同步高效去除。通过对中空纳米粒子耦合的双功能超滤膜的制备与性能研究，在其制备、结构调控和应用方面取得了一些研究成果，为复合污染物的高效去除提供了新的思路。在本项目资助下共发表学术论文32篇，其中SCI收录32篇(一区21篇，二区10篇)，有2篇论文先后入选ESI高被引论文，影响因子8.0以上有11篇，4篇论文被遴选为内封底/面论文，刊物包括Chem Soc Rev，Environ Sci Technol, J Membrane Sci等。申报发明专利16项，授权5项，其中美国专利1项；参加国内外学术会议32人次。培养博士研究生4名，硕士研究生4名。培养的博士研究生获工业和信息化部首届工新创新奖学金特等奖1项、高廷耀环保科技发展基金会“青年博士生杰出人才奖学金”1项、“南京大学全兴环境基金优秀学子奖”1项，“奥加诺（水质与水环境）”奖学金1项。培养的博士研究生入选2020年博士后创新人才计划。完成了项目申请书中的成果要求。