34 LMH/bar高通量耐氯納米濾膜！便攜式原子力顯微鏡實現1 nm高精度表征

【引言】

地表水和地下水是人類重要的飲用水源，然而這些水中往往含有高含量的硫酸鹽。經常飲用硫酸鹽含量高的水會引起各類的健康問題，如腹瀉、脫水和腸道疾病。因此，降低飲用水中的硫酸鹽含量已成為水資源相關研究中的熱點問題。目前，去除飲用水中硫酸鹽的方法主要有沉淀法、吸附法和膜過濾法。其中，納米薄膜過濾法是一種十分具有應用潛力的方法，這種方法可有效降低飲用水中硫酸鹽含量。然而，已有的納米過濾薄膜依然存在濾水通量低，不耐氯腐蝕等問題。

近日，天津工業大學相關課題組提出了一種基于相轉化技術制備了基于聚砜基超支化嵌段共聚物-聚砜嵌段聚甘油(PSf-b-hPG）的納米過濾薄膜，并通過便攜式芯片原子力顯微鏡-Redux對樣品表面形貌進行了表征。所制備過濾薄膜的濾水通量可達34 LMH/bar，對硫酸鹽的截止率可達74 %。通過熱處理和酸處理，納米濾膜的孔徑可以進一步控制。此外，在含氯條件下，所制備的納米濾膜也表現出出色的耐腐蝕性。相關研究成果以《High-flux and chlorine-resistant nanofiltration membrane fabricated via phase inversion using polysulfone-b-polyglycerol hyperbranched block copolymer》為題，在SCI期刊《Desalination》上發表^[1]。

本文使用的便攜式芯片原子力顯微鏡-Redux簡單易用，可以滿足膜科學相關的研究中對樣品表面形貌的表征。文中對樣品表面粗糙度表征可達1 nm的精度。此外，Redux還具有體積小巧，探針耐用，無需維護等特點，適用于各類室內或戶外科學研究。

便攜式芯片原子力顯微鏡-Redux

【圖文導讀】

圖1. 光伏納米單元結構示意圖。由Redux AFM所測量的a)PSf-b-hPG納米膜和d)PSf對照組的表面形貌圖。SEM對樣品b)PSf-b-hPG納米膜和e)PSf對照組的橫截面表征結果。TEM表征c)PSf-b-hPG納米膜和f)PSf對照組的結果。

圖2. PSf-b-hPG薄膜的a)水滲透率和Na₂SO₄的截留率，b)對PEG的截留率和c)熱處理和酸處理后的納米孔洞分布尺寸。

圖3.未處理的hPG薄膜與經過酸處理和熱處理的hPG薄膜的a)元素成分，b)傅里葉紅外測量結果，c)接觸角隨時間變化結果，以及d)zeta電勢測量結果。

圖4. a)通過相反轉的方法制備孔洞直徑為5nm的PSf-b-hPG薄膜的過程。b)通過熱處理減少孔洞尺寸。c)通過酸處理減小孔洞尺寸。d)通過熱處理和酸處理共同作用獲得具有小尺寸孔洞的過濾薄膜。

圖5.a)在2000 ppm濃度的NaClO條件下，所制備出的納米過濾膜對于水的透過性和對于Na₂SO₄的截留率隨時間的變化。b)本文中所制備的納米過濾膜與已報道納米過濾膜的耐氯性能比較。c)在4千帕的壓力下，所制備的納米過濾薄膜對于水的滲透率和對于Na₂SO₄的截留率隨時間的變化。d)本工作所制備的納米過濾膜與已報道濾膜的力學性能比較。

【結論】

綜上所述，天津工業大學相關課題組通過相轉化技術制備出了具有高濾水通量，高硫酸鹽截留率且耐氯的PSf-b-hPG納米濾膜。通過熱處理和酸處理，納米濾膜的過濾孔徑可以進一步調控，為后續的納米過濾薄膜的研發打下堅實基礎。

【參考文獻】

[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.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117314.