南京工業大學汪勇教授團隊近期於Journal of Membrane Science期刊（2020, 604,118087）發表題目為「Influence of Membrane Hydrophilicity on Water Permeability: An Experimental Study Bridging Simulations」的文章。該文章第一作者為繆鏖澤，通訊作者為魏明傑教授和汪勇教授。
【研究亮點】
【文章簡介】
分離膜的滲透性決定膜分離的效率，如何在不犧牲分離選擇性的前提下，提高膜的滲透性是膜分離領域普遍關注的問題。通常，實驗中認為較強的親水性更容易獲得較高的水通量。然而，分子動力學模擬發現，疏水孔道更有利於水通量的提高，這與實驗結果恰恰相反。課題組前期的模擬工作揭示了兩者爭議的根本原因：無論是親水膜還是疏水膜，都具有閾值壓力（ΔPT）。膜只有在操作壓力高於ΔPT時才能被完全潤溼。而強疏水膜一般具有極高的ΔPT，實驗中無法達到，使得膜的潤溼程度降低，滲透性也隨之下降。但模擬結果難以通過實驗驗證。
實驗驗證的挑戰性在於，如何在不顯著改變膜孔大小及形狀的前提下，線性調節分離膜的親水性。原子層沉積（Atomic layer deposition，ALD）是一種基於表面自限制反應的先進薄層沉積技術，課題組前期的大量工作證實，ALD特別適用於對多孔分離膜孔道孔徑和表面性質的精密調控。一個ALD沉積循環，將在膜孔孔壁產生厚度在0.1nm以下的保型沉積層。當沉積次數較低時，孔徑變化較小，但孔壁被沉積物所覆蓋，表面性質逐步轉變為沉積物的表面性質。在本工作中，作者充分發揮原子層沉積保型產生超薄沉積層的獨特優勢，在高度疏水的聚四氟乙烯微濾膜上沉積強親水的二氧化鈦，使得親水性成為膜材料的唯一變量（圖1）。
圖1. 通過原子層沉積在多孔膜上沉積金屬氧化物（標示為綠色）的示意圖
隨ALD沉積次數的增加，膜的親水性逐步提升。但過多ALD循環次數也會顯著改變膜孔結構，本文採用調整溶液組成來改變膜孔潤溼狀態的策略，使得膜孔潤溼程度得以連續變化。親水性增加有利於膜的潤溼，同時乙醇含量的上升也可以實現潤溼狀態的改善（圖2）。
圖2.聚四氟乙烯膜的潤溼性（接觸角）隨沉積次數及料液中乙醇含量的變化
更為重要的是，與前期模擬工作預測一致，操作壓力的提升同樣有助於改善膜的潤溼狀態。如圖3所示，在壓差為3bar以上時，膜對20%乙醇含量的乙醇水溶液的通量高於40%乙醇含量的溶液。而且，這個通量上的差異不是由於不同組成料液的粘度不同引起的。因此，可以得出結論：當壓力較高時，膜的潤溼狀態得以大幅改善。在這種前提下，膜對不同料液的潤溼狀態還是存在差異，當潤溼相對較弱時（可理解為疏水膜），膜的滲透性更高。上述實驗研究結果表明，疏水膜的傳遞阻力更低，但潤溼狀態較差是阻礙其實現高通量的制約因素。
圖3.同一分離膜在不同乙醇含量料液中表現出的滲透性隨操作壓力的變化規律
儘管提高操作壓力可以明顯改善疏水膜的潤溼狀態，但其在現有實驗條件下難以大幅提升。在實驗可達到的操作壓力下，對疏水膜的親水改性將存在一個最優程度。該最優值是由分離過程中，進料液組成和操作壓力共同決定的。即在給定操作壓力下，親水改性可使膜孔剛好被進料液完全潤溼時，該親水性即為最優，此時傳遞阻力不會大幅上升，因而可獲得最大通量。如過度親水化，膜的傳遞阻力會明顯上升，通量反而不能最大化。
本工作有望引起對於分離膜親水改性的重新認識（「過猶不及」），也有助於優化控制膜分離過程，以實現分離效率的最大化。
原文信息：
原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738820306657
第一作者：
繆鏖澤
通訊作者：
魏明傑教授
汪勇教授
工作單位：南京工業大學
通訊郵件：mj.wei@njtech.edu.cn，yongwang@njtech.edu.cn
網址：funme.njtech.edu.cn