正滲透作爲一種(zhǒng)滲透壓驅動的膜分離技術，具有低能(néng)耗、低污染等優勢，被(bèi)廣泛應用于海水淡化、水處理、壓力阻尼滲透發(fā)電以及可控藥物釋放等領域。正滲透技術的核心在于正滲透膜以及汲取液的設計與合成(chéng)。理想的正滲透膜應該具備高滲透性、高選擇性、高的耐污染能(néng)力以及低的結構因子來降低濃差極化能(néng)力。

　　目前，正滲透膜材料主要有不對(duì)稱醋酸纖維素膜和聚酰胺超薄複合膜（TFC），聚酰胺超薄複合膜主要由多孔支撐層（如無紡布+聚砜超濾膜）和界面(miàn)聚合形成(chéng)的聚酰胺緻密層組成(chéng)。其傳質機理主要有溶解擴散、優先吸附-毛細孔流以及氫鍵理論等。爲了提高滲透通量和選擇性，前人在界面(miàn)聚合超薄複合膜的制備過(guò)程中，采用了多種(zhǒng)納米材料進(jìn)行結構調控，如氧化石墨烯、碳納米管、水通道(dào)蛋白、金屬有機框架材料，但是基于上述傳質理論的不對(duì)稱緻密膜在正滲透過(guò)程中，仍然存在濃差極化和膜污染問題，導緻其滲透通量和鹽截留率低。因此如何通過(guò)新型膜材料的設計，并提出新的滲透傳質機制，是國(guó)際上正滲透領域面(miàn)臨的挑戰。

　　中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所劉富研究員團隊提出了一種(zhǒng)不對(duì)稱浸潤性Janus微孔膜用于正滲透過(guò)程，水通量可達到274.2Lm^-2h^-1,反向(xiàng)鹽通量爲1.65gm^-2h^-1，水通量Jw及水鹽比通量Jw/Js遠高于目前界面(miàn)聚合制備的聚酰胺TFC膜。通過(guò)在超親水醋酸纖維膜表面(miàn)利用靜電紡絲構築疏水聚偏氟乙烯納米纖維層，制備的不對(duì)稱浸潤性Janus微孔膜（CA/PVDF），在滲透傳質過(guò)程中表現出二極管流體特性，其聚偏氟乙烯納米纖維疏水側的空氣層能(néng)夠有效抑制汲取液中鹽溶質的反向(xiàng)擴散，提高選擇性，而其另一側的醋酸纖維素親水膜可通過(guò)導流減少表面(miàn)流體對(duì)超疏水膜的剪切沖擊，起(qǐ)到保護空氣層的作用，此外還(hái)具有抗污染和支撐作用。疏水納米纖維層的厚度（1.7～9.1μm）可通過(guò)靜電紡絲的時間來進(jìn)行可控調節。在滲透壓的作用下，原料液側的水分子的運動爲從Janus膜的親水側到疏水側的定向(xiàng)運動，而汲取液中的鹽離子被(bèi)疏水側的空氣層有效阻隔，Janus膜的朝向(xiàng)相反時，原料液中的水分子的運動受到限制，運動規律類似于流體二極管。疏水膜的厚度對(duì)于滲透通量和反向(xiàng)鹽通量的影響至關重要，降低厚度，提高汲取液中鹽的濃度，滲透通量和反向(xiàng)鹽通量都(dōu)相應提高。當Janus膜的疏水空氣層被(bèi)浸潤破壞後(hòu)（如運行2小時），水通量急劇下降，反向(xiàng)鹽通量急劇上升。進(jìn)一步將(jiāng)膜進(jìn)行簡單幹燥後(hòu)，水通量和反向(xiàng)鹽通量完全恢複，具有多次循環穩定性。前期研究發(fā)現上述傳質過(guò)程存在蒸發(fā)冷凝以及對(duì)流擴散。上述工作發(fā)表在Environmental Science & Technology Letters, 2019,6,79-85，并得到澳大利亞麥考瑞大學(xué)Shuaifei Zhao博士（共同通訊作者）和澳大利亞新南威爾士大學(xué)Chuyang Y. Tang教授的合作支持。

　　進(jìn)一步，劉富研究員團隊通過(guò)相轉化法制備了超親水PVDF微孔膜，并利用其微納結構固定負載超疏水氟化二氧化矽納米粒子，制備了Janus膜(PVDF/F-SiO₂)，用于正滲透過(guò)程，其不對(duì)稱浸潤結構可以有效降低濃差極化，實現水分子的單向(xiàng)傳質，以及對(duì)鹽離子的反向(xiàng)抑制。不同于上述的蒸發(fā)冷凝機制，由于納米級親水通道(dào)是貫穿于膜中，但由于表面(miàn)浸潤性差異，具有單向(xiàng)傳遞特性，其滲透系數可達到2.2Lm^-2h^-1bar^-1，比鹽通量爲0.007gL^-1。上述工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A,2019,7,632-638。

　　上述工作揭示了Janus微孔膜用于正滲透的新型傳質過(guò)程及傳質機理，其優異的滲透性能(néng)表明Janus微孔膜在海水淡化、水處理及壓力阻尼滲透發(fā)電領域具有應用前景。

　　上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面(miàn)上項目（51673209）、國(guó)家自然科學(xué)基金委與香港研究資助局聯合項目（5161101025、N_HKU706/16）以及甯波市科技局2014B81004、2017C110034的支持。

圖1 靜電紡絲制備Janus微孔膜（CA/PVDF）及其正滲透過(guò)程

圖2 Janus微孔膜（CA/PVDF）正滲透性能(néng): a) 疏水層厚度對(duì)水通量影響，b) 疏水層厚度對(duì)反向(xiàng)鹽通量影響，c) 水通量Jw及水比鹽通量遠高于目前TFC膜，d）水通量及反向(xiàng)鹽通量随運行時間變化規律，e) Janus微孔膜朝向(xiàng)性能(néng)對(duì)比，f）Janus微孔膜水通量及反向(xiàng)鹽通量的循環穩定性。

圖3 相轉化制備Janus微孔膜（PVDF/F-SiO₂）及其正滲透過(guò)程

圖4 Janus微孔膜（PVDF/F-SiO₂）的單向(xiàng)傳遞性能(néng)

　　（高分子事(shì)業部 周升華 劉富）