【转载】浙大张林Science:有了这张超强纳滤膜,海水淡化还远吗?

研究亮点
1.发展了一种制备具有纳米图灵结构纳滤膜的界面聚合工艺,脱盐净水性能超过传统纳滤膜3倍以上。
2.发现在图灵结构中存在高透过性活性位点,极大增强了水的透过性。
  1952年,图灵发表《形态发生的化学基础》(The Chemical Basis of Morphogenesis),从理论上阐述了两个化学物质在特定反应条件下,怎样扩散和反应才能形成时空稳态结构。直到论文发表40年以后,才有人从实验上证实他的理论。自从论文问世以来,图灵的理论就开始对基础研究显现出独特的指导,设计和发展图灵结构对于化学和生物学的实际应用具有重要作用。

  图灵结构往往出现在热力学不平衡的反应-扩散过程中。当扩散速率不平衡时,快速运动的抑制剂控制缓慢运动的活化剂的运动,就会产生图灵结构,图灵结构形成的恒稳态系统对微小的非均相扰动非常灵敏。
  为了得到图灵结构,常用的方法有2种:
1)引入PVA等大分子,可以和活化剂可逆结合。
2)采用均匀分散的非均相多相反应体系,使活化剂停留在低速运动相。
  有鉴于此,浙江大学张林教授课题组结合理论和实验,报道了一种具有纳米图灵结构的聚酰胺纳滤膜,具有优异的脱盐净水性能。
图1. 界面聚合形成纳米图灵结构
 
  研究人员采用了一种界面聚合策略来生长聚酰胺薄膜,生长过程中,聚合反应发生在油-水界面。通过控制反应条件来控制薄膜的形貌,确保形成的薄膜具有气泡和管状结构。
  研究人员在油相中加入抑制剂TMC,在水相中加入活化剂聚乙烯醇。PVA以氢键和活化剂结合,增强溶液粘度,减缓单体的扩散速率。相比传统纳滤膜,该方法产生的纳米图灵结构纳滤膜,具有更多的凸起,更多的空隙和更多的岛状结构。
图2. 具有图灵结构的薄膜
  具有纳米图灵结构的聚酰胺薄膜由于其独特的结构特征,具有更好的净水脱盐性能,不论是水的透过性还是水-盐分离性能,都超过了传统薄纳滤。
  除此之外,研究人员还发现,在图灵结构中存在能让水高速透过的活性位点,极大地增强了水的透过性。
图3.薄膜中水透过性位点的空间内分布
  总之,该研究发展了一种纳米图灵结构的纳滤膜,在海水淡化和工业废水脱盐等领域具有重要的实用前景。
  张林,浙江大学教授。兼任工业生物催化国家地方联合工程实验室副主任、膜与水处理技术教育部工程研究中心副主任。
  近年来以空气、水资源和能源方向的重大需求作为研究背景,致力于膜科学与技术在上述领域中应用的关键科学问题开展研究工作,通过设计纳米复合功能材料改进与提高膜性能,构建膜生物反应器来强化过程分离和传递效率为主要研究内容,取得了创新性的结果。获教育部自然科学二等奖1项,浙江省科技进步一等奖1项,中国石化联合会“青年科技突出贡献奖”,国家知识产权局优秀专利奖1项、海洋科学技术二等奖1项。入选了浙江省“151”人才培养计划第二层次,获得浙江省杰出青年基金项目资助;兼任SCI期刊"Environmental Technology"、核心期刊《水处理技术》、《膜科学与技术》编委,浙江省化工学会常务理事、浙江省膜学会副秘书长、浙江省膜工业协会副秘书长;作为项目负责人承担并完成了包括国家自然科学基金、“863”计划目标导向项目等多项国家级课题。多篇研究论文发表在AIChE J、Chem. Eng. Sci.、I&ECR、J. of Membrane Sci.、Polymer等化工类TOP期刊上,共发表SCI收录论文110余篇,累计他引2000余次,个人H-index为26。四项研究成果成功地实现了知识产权的转让,2011年受邀参加了在泰国举行的第14届亚洲化学会议,在Membranes for Molecular Separation分会上做了有关高通量纳米复合膜的邀请报告。形成了以纳米复合材料为膜,膜生物反应器为过程在水处理、生物质能源、环境净化等领域中的应用基础研究体系。
 
第一作者:Zhe Tan
通讯作者:张林
第一单位:浙江大学

Zhe Tan, Lin Zhang et al. Polyamide membranes with nanoscale Turing structures for water purification. Science 2018, 360, 518-521.
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