分离膜材料，特别是聚酰胺反渗透膜和纳滤膜，已广泛应用于海水淡化、地表水处理和废水再利用，致力于应对日益严峻的水资源短缺问题。然而，在不降低产水品质的前提下进一步改善聚酰胺膜的产水效率，仍是一大挑战。商品化纳滤膜通常由多孔的支撑底膜和复合在其表面的分离层组成，而目前研究者主要通过降低分离层的厚度减小水的透过阻力，以及引入褶皱结构增加纳滤膜的有效过滤面积，来克服纳滤膜通量和选择性之间存在的trade-off现象。但是，太薄的分离层往往会带来缺陷和强度问题；同时，分离层褶皱结构的增加意味着其与支撑层接触面积的下降，进一步增加褶皱可能造成分离层和支撑层的脱离。
针对这一问题，中科院苏州纳米所靳健研究员课题组与王强斌研究员课题组合作，利用烟草花叶病毒（TMV）蛋白自组装纳米片调控界面聚合反应，成功制备了具有超高比表面积的蜂窝状立体结构聚酰胺纳滤膜（如图1所示）。研究人员首先将具有特定孔道结构的TMV蛋白质以六方形式二维自组装成均孔TMV纳米片（如图2a所示），然后将其抽滤沉积在混合纤维素（MCE）微滤膜的膜孔内，以此作为界面聚合的衬底。TMV纳米片独特的浸润特性使得两相单体的聚合反应界面位于MCE微滤膜孔内，因而得到复制了MCE微滤底膜的蜂窝状立体结构的聚酰胺分离层（如图2所示）；同时，TMV纳米片具有表面光滑和孔径均一的特点，在界面聚合过程中能够控制单体均匀、快速地从水相往油相扩散，促进无缺陷超薄分离层的形成。这种蜂窝状立体结构分离层使纳滤膜的有效过滤面积得到显著增加，从而在保持高选择性的同时大大提升了纳滤膜的分离通量，打破了传统纳滤膜通量和选择性之间的trade-off现象。这一特殊结构纳滤膜在实现二价盐高截留（MgSO4截留率98%）及超高离子筛分选择性（Cl-/SO42-分离选择性89）的同时，分离通量达到62 L m-2 h-1 bar-1，纯水通量高达84 L m-2 h-1 bar-1（如图3所示）。另外，对于大孔微滤底膜支撑分离层形成的纳滤膜的稳定性问题，通过研究发现，沉积在MCE微滤膜孔内的TMV 纳米片在界面聚合过程中与聚酰胺分离层形成了一个整体复合结构，其支撑作用使得生成的纳滤膜能够保持在长时间运行下的稳定性（如图3所示）。
图1 蜂窝状立体结构聚酰胺纳滤膜制备流程
图2（a）TMV蛋白均孔纳米片TEM照片以及其组成基元结构示意图；（b）、（c）和（e）分别为溶去MCE微滤支撑底膜后的聚酰胺层SEM、AFM和TEM照片；（d）聚酰胺纳滤膜截面TEM照片。
图 3 (a) 蜂窝状立体结构聚酰胺纳滤膜对不同盐离子溶液的截留行为（1000 ppm盐溶液）；(b) TMV纳米片对聚酰胺纳滤膜分离行为的影响（1000 ppm Na2SO4溶液）(c)与目前其它文献报道的纳滤膜性能对比；(d) 纳滤膜长时间Na2SO4料液分离性能。
以上工作发表在《Nano Letters》杂志上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01350），论文第一作者为博士研究生桂亮亮和硕士研究生董津辰，方望熹研究员、周堃博士和靳健研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到科技部重点研发计划（2019YFC1711300, 2019YFA0705800）、国家杰出青年科学基金（51625306）、国家自然科学基金（21988102, 51873230, 21703282）和江苏省青年科学基金（BK20180259）等项目的经费支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01350
黄教授
