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浙大徐志康教授课题组“基于可控表界面工程的聚合物纳滤膜”取得一系列新进展

原标题:浙大徐志康教授课题组“基于可控表界面工程的聚合物纳滤膜”取得一系列新进展

孔径在1纳米左右的纳滤膜通常用超滤基膜表面的界面聚合来制备,在饮用水深度净化、多价离子脱除、有机小分子浓缩等方面具有广泛的应用。但经典的三酰氯/二胺界面聚合在热力学上是一个非平衡过程,反应十分快速,几秒钟内即可完成,动力学上无法控制。在国家自然科学基金重点项目“基于可控表界面工程的聚合物纳滤膜”的资助下,浙江大学徐志康教授带领”聚合物分离膜及其表界面工程”课题组从以下两个方面取得一系列进展。

“自上而下”构建选择性皮层,实现纳滤膜的多功能化

课题组博士生张超前期发现,微量CuSO4/H2O2就能促进多巴胺快速氧化聚合,形成稳定、均匀、可控的涂层(Angew. Chem. Int Ed., 2016, 55, 3054-3057)。进一步深入研究表明,降低了粗糙度的聚多巴胺涂层增大了折射率,干涉原理使之呈现出明亮的颜色,而不是昏暗的黑色。相关论文发表在 J. Mater. Chem. C (IF = 5.066)上,并被选为外封面论文。

论文信息:

Chao Zhang, Bai-Heng Wu, Yong Du, Meng-Qi Ma and Zhi-Kang Xu*; Mussel-inspired Polydopamine Coatings for Large-scale and Angle-independent Structural Colors. J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 3898-3902.

博士生张超与博士生吕嫣合作,利用正电子湮灭详细分析了超滤基膜表面此类涂层的结构,发现该涂层具有0.5纳米和0.9纳米左右两类孔径,可以作为薄层复合纳滤膜的选择性皮层,不仅具有杰出的水相脱盐性能,还能从有机相中高效地回收纳米催化剂。相关论文发表在 ACS Appl. Mater.Interfaces (IF = 7.145)上。

论文信息:

Chao Zhang,† Yan Lv,† Wen-ZeQiu, Ai He, and Zhi-Kang Xu*; Polydopamine Coatings with Nanopores for Versatile Molecular Separation. ACS Appl.Mater.Interfaces, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b03115.

博士生吕嫣则在前期发展聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)共沉积选择性皮层的工作基础上,提出在PDA/PEI皮层中引直径为10纳米左右的SiO2纳米粒子,不仅能提高复合纳滤膜的通量,而且显著增强了其表面机械性能和结构稳定性。相关论文发表在 ACS Appl. Mater.Interfaces (IF = 7.145)上。

论文信息:

Yan Lv, Yong Du, Wen-ZeQiu, and Zhi-Kang Xu*;Nanocomposite Membranes via the Codeposition of Polydopamine/Polyethyleneimine with Silica Nanoparticles for Enhanced Mechanical Strength and High Water Permeability.ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 2966−2972.

博士生吕嫣和博士生张超进一步与美国阿贡国家实验室Seth Darling教授合作,利用仿生矿化在此类纳滤膜表面生成b-氢氧化氧铁纳米棒,构建了一类具有光催化降解性能的复合纳滤膜。可见光照下,该膜在完全脱除印染废水色度的同时,负载的催化剂能够通过光芬顿反应高效、稳定地降解膜表面截留的染料,显示出优异的自清洁能力。相关论文将发表在Adv. Funct. Mater. (IF=11.382)上。

论文信息:

Yan Lv†, Chao Zhang†, Ai He, Shang-Jin Yang, Guang-Peng Wu*,Seth B. Darling*, Zhi-Kang Xu*; Photocatalytic Nanofiltration Membranes with Self-Cleaning Property for Wastewater Treatment.Adv. Funct. Mater., 2017, in press.

“自下而上”调控界面聚合,实现更薄分离层、更高水通量

除热力学和动力学均难于调控外,超滤膜表面的不均匀性也是影响界面聚合的一个重要因素。博士生张郗和博士生杨熙分别用多酚和多巴胺与聚乙烯亚胺等在超滤基膜上适度共沉积,构建一层亲水、均匀分布的中间层,在一定程度上使得超滤基膜表面均匀化,毛细管作用引起向上的Laplace力会使得水相中更多的胺类单体被均匀地分布在基膜表面参与界面聚合,从而成功地将选择皮层的厚度由原本的100 -120纳米降低至50 纳米左右,有效降低了水的过膜阻力,同时赋予皮层更好的均匀性。在保证截留效果的前提下显著提升了复合纳滤膜的水通量,0.6MPa下对Na2SO4截留率大于97%,水通量高达60 L/m2h。相关论文分别发表在ACS Appl.Mater.Interfaces(IF=7.145)和Langmuir(IF=3.993)上。

论文信息:

Xi Zhang, Yan Lv, Hao-Cheng Yang, Yong Du, Zhi-Kang Xu*; “Polyphenol Coating as An Interlayer for Thin-Film Composite Membranes with Enhanced Nanofiltration Performance. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8(47), 32512–32519.

Xi Yang, Yong Du, Xi Zhang, Ai He and Zhi-Kang Xu*;Nanofiltration Membrane with A Mussel-Inspired Interlayer for Improved Permeation Performance. Langmuir,2017,33(9), 2318–2324.

硕士生王静静则在微滤基膜表面引入天然纤维素纳米晶作为中间层,有效调控了界面聚合过程并得到超薄聚酰胺分离层。同时,纤维素纳米晶中间层的超亲水性也显著促进了水的渗透,实现了高性能复合纳滤膜的制备。在对Na2SO4截留率为97%的同时,其渗透通量最高可达204 Lm-2h-1,为目前文献报道的最高值。

相关论文发表在J. Mater. Chem. A(IF=8.262)上。

论文信息:

Jing-Jing Wang, Hao-Cheng Yang, Ming-Bang Wu, Xi Zhang and Zhi-Kang Xu*;Nanofiltration Membranes with Cellulose Naocrytals as An Interlayer for Unprecedented Performance.J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/c7ta00501f.

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