摘要：天津工业大学（Tiangong University）林立刚研究员团队近期于膜科学与技术期刊（2024, 44（6）, 71-77）发表题目为《基于纤维素凝胶层修饰的高通量分离膜及其染料/盐分离性能研究》的文章。该文章第一作者为本科生张子旭，通讯作者为林立刚研
膜技术前沿
Frontiers of membrane technology
天津工业大学（Tiangong University）林立刚研究员团队近期于膜科学与技术期刊（2024, 44（6）, 71-77）发表题目为《基于纤维素凝胶层修饰的高通量分离膜及其染料/盐分离性能研究》的文章。该文章第一作者为本科生张子旭，通讯作者为林立刚研究员。
研究亮点
· 以多巴胺（DA）为桥梁提升膜表面凝胶层的稳定性
· 羧甲基纤维素（CMC）凝胶层改善了膜的亲水性
· 凝胶层中银纳米粒子的引入起到骨架支撑作用，提升了膜的渗透性
· M-CMC-Ag膜具有优异的渗透通量和染料/盐分离性能
文章简介
开发具有高渗透通量和高选择性的疏松纳滤膜在处理印染废水方面具有巨大的潜力。本研究利用DA仿生粘附技术结合化学交联方法在聚偏氟乙烯（PVDF）膜表面构筑了亲水的凝胶层，在凝胶层的制备过程中引入了银纳米粒子（Ag NPs）来提升改性膜的渗透性。如图1所示，以PVDF为基膜，通过DA和CMC共沉积反应结合化学交联方法在膜表面构建了CMC凝胶层，以此改善膜的亲水性、提高膜的渗透通量，同时，在凝胶层的制备过程中引入Ag NPs实现了骨架支撑结构的构建，进一步提高改性膜的渗透选择性，由此制备得到CMC/Ag NPs复合改性膜。
图1 CMC/Ag NPs复合改性膜的制备流程图
采用SEM分析不同膜的表面和断面形貌，如图2所示。改性前后的膜表面形貌发生了变化，M-Pure纯膜的表面可以清晰地观察到膜孔；M-CMC改性膜的膜孔明显变少，这是由于DA与CMC共沉积改性在膜表面形成了凝胶层。在凝胶层中引入银纳米粒子后, M-CMC-Ag改性膜的表面和断面观察到了Ag NPs的存在，这是由于CMC凝胶层的三维网络结构可作为Ag NPs的负载点位，实现Ag NPs在膜表面的均匀分布，测试结果表明在膜表面成功构建了含有Ag NPs的凝胶层结构。
图2 不同膜的表面形貌和断面形貌
图3显示了M-CMC-Ag膜对染料/盐二元体系的分离性能。随着刚果红质量浓度从0.1 g/L增加到1.5 g/L，M-CMC-Ag改性膜的渗透通量始终维持在202.51 L/（m2·h）以上，且对刚果红的截留率高于95%，对NaCl截留率低于18%。随着NaCl质量浓度由1.0 g/L增加至30 g/L，改性膜对刚果红的截留率保持在93%以上，对NaCl的低截留率低于9.5%，结果显示出改性膜具有良好的染料/盐分离性能。此外，改性膜对低浓度的染料/盐二元体系（刚果红浓度0.1 g/L、NaCl浓度1.0 g/L）的分离因子大于925，对高浓度的染料/盐二元体系（刚果红浓度1.5 g/L、NaCl浓度30 g/L）的分离因子大于15，结果表明M-CMC-Ag改性膜具有高渗透通量的同时兼具良好的分离选择性。
图3 M-CMC-Ag膜的染料/盐分离性能和分离因子
使用膜对刚果红与NaCl的混合液进行24 h分离测试探究M-CMC-Ag改性膜的稳定性和抗污染性能，结果如图4所示。随着运行时间的增加，膜对刚果红的截留率始终维持在99.5%，对NaCl的截留率始终低于10%，同时，渗透通量始终维持在217.5 L/（m2·h），表明M-CMC-Ag膜对染料/盐混合液具有优异的分离选择性和运行稳定性。进一步，由循环分离测试结果可知，经过多次循环分离后，改性膜的渗透通量维持稳定，改性膜通过简单冲洗即能实现通量恢复，结果表明M-CMC-Ag改性膜具有较好的抗污染性能。
图4 M-CMC-Ag膜的运行稳定性和抗污染性能
结 论
综上所述，针对染料/盐分离膜尚存在分离选择性低、通量低等共性难题，本研究从膜结构设计出发，通过DA仿生黏附技术结合化学交联方法在膜表面构建了CMC凝胶分离层，利用凝胶层的三维网络结构作为负载点位引入了Ag NPs，在膜表面构建了具有骨架支撑结构的凝胶层，提升了膜渗透性能及选择性，所制备的改性膜材料在染料/盐分离应用方面具有一定的潜力。
引用信息：
张子旭，杨景，林立刚*，等. 基于纤维素凝胶层修饰的高通量分离膜及其染料/盐分离性能研究[J]. 膜科学与技术，2024，44（6）：71-77.
Zhang Z X, Yang J, Lin L G*，et al. High flux separation membranes based on cellulose gel layer modification and their dye/salt separation properties[J].Membrane Science and Technology（Chinese），2024，44（6）：71-77.
文章链接：http://m.chaoxing.com/mqk/read_38502727e7500f26f5cee4170efa4c6e130afdadb08a05531921b0a3ea255101fc1cf1fbb4666ae6cc6d1f29049bd6f4fcf11f3c1ec1b6b61baa02fcbf2a82d9447cacb6ad9aa4896eed51746d576774?uid=63226747&aid=7209
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来源：澎湃新闻客户端