34 LMH/bar高通量耐氯纳米滤膜！便携式原子力显微镜实现1 nm高精度表征
发布日期：2024-08-15
【引言】
地表水和地下水是人类重要的饮用水源，然而这些水中往往含有高含量的硫酸盐。经常饮用硫酸盐含量高的水会引起各类的健康问题，如腹泻、脱水和肠道疾病。因此，降低饮用水中的硫酸盐含量已成为水资源相关研究中的热点问题。目前，去除饮用水中硫酸盐的方法主要有沉淀法、吸附法和膜过滤法。其中，纳米薄膜过滤法是一种十分具有应用潜力的方法，这种方法可有效降低饮用水中硫酸盐含量。然而，已有的纳米过滤薄膜依然存在滤水通量低，不耐氯腐蚀等问题。
近日，天津工业大学相关课题组提出了一种基于相转化技术制备了基于聚砜基超支化嵌段共聚物-聚砜嵌段聚甘油(PSf-b-hPG）的纳米过滤薄膜，并通过便携式芯片原子力显微镜-Redux对样品表面形貌进行了表征。所制备过滤薄膜的滤水通量可达34 LMH/bar，对硫酸盐的截止率可达74 %。通过热处理和酸处理，纳米滤膜的孔径可以进一步控制。此外，在含氯条件下，所制备的纳米滤膜也表现出出色的耐腐蚀性。相关研究成果以《High-flux and chlorine-resistant nanofiltration membrane fabricated via phase inversion using polysulfone-b-polyglycerol hyperbranched block copolymer》为题，在SCI期刊《Desalination》上发表[1]。
本文使用的便携式芯片原子力显微镜-Redux简单易用，可以满足膜科学相关的研究中对样品表面形貌的表征。文中对样品表面粗糙度表征可达1 nm的精度。此外，Redux还具有体积小巧，探针耐用，无需维护等特点，适用于各类室内或户外科学研究。
便携式芯片原子力显微镜-Redux
【图文导读】
图1. 光伏纳米单元结构示意图。由Redux AFM所测量的a)PSf-b-hPG纳米膜和d)PSf对照组的表面形貌图。SEM对样品b)PSf-b-hPG纳米膜和e)PSf对照组的横截面表征结果。TEM表征c)PSf-b-hPG纳米膜和f)PSf对照组的结果。
图2. PSf-b-hPG薄膜的a)水渗透率和Na2SO4的截留率，b)对PEG的截留率和c)热处理和酸处理后的纳米孔洞分布尺寸。
图3.未处理的hPG薄膜与经过酸处理和热处理的hPG薄膜的a)元素成分，b)傅里叶红外测量结果，c)接触角随时间变化结果，以及d)zeta电势测量结果。
图4. a)通过相反转的方法制备孔洞直径为5nm的PSf-b-hPG薄膜的过程。b)通过热处理减少孔洞尺寸。c)通过酸处理减小孔洞尺寸。d)通过热处理和酸处理共同作用获得具有小尺寸孔洞的过滤薄膜。
图5.a)在2000 ppm浓度的NaClO条件下，所制备出的纳米过滤膜对于水的透过性和对于Na2SO4的截留率随时间的变化。b)本文中所制备的纳米过滤膜与已报道纳米过滤膜的耐氯性能比较。c)在4千帕的压力下，所制备的纳米过滤薄膜对于水的渗透率和对于Na2SO4的截留率随时间的变化。d)本工作所制备的纳米过滤膜与已报道滤膜的力学性能比较。
【结论】
综上所述，天津工业大学相关课题组通过相转化技术制备出了具有高滤水通量，高硫酸盐截留率且耐氯的PSf-b-hPG纳米滤膜。通过热处理和酸处理，纳米滤膜的过滤孔径可以进一步调控，为后续的纳米过滤薄膜的研发打下坚实基础。
【参考文献】
[1]. Tao Liu, Longlong Wang, Wenliang Wang, Jianhua Yang, Yunxia Hu, High-flux and chlorine-resistant nanofiltration membrane fabricated via phase inversion using polysulfone-b-polyglycerol hyperbranched block copolymer, Desalination, Volume 575, 2024, 117314, ISSN 0011-9164.
