城市環境所在自支撐正滲透膜的制備及其應用研究獲進展

　　在眾多的水處理工藝中，膜分離技術出現于20世紀20年代，被認為是“21世紀最有發展前景的技術之一”。中國科學院城市環境研究所鄭煜銘研究組致力于新型膜材料的研發及其在抗生素廢水處理方面的研究。

　　正滲透（FO）是一種新型的濃度驅動型膜分離過程，操作過程不需外界施壓，具有能耗低、操作條件溫和、鹽截率高等優點；與傳統的壓力驅動膜分離技術相比，FO過程還具有膜污染較輕、膜過程和設備較簡單等優點。隨著FO越來越受到人們的重視，大量研究聚焦于FO技術在能源、海水淡化、制藥工業、廢水處理以及食品加工等領域的應用。研究組將商業化的FO復合薄膜用于四環素廢水的回收分離，研究了FO技術處理四環素廢水的性能。研究實驗表明：商業FO膜水通量和TC截留率分別高于20 LMH和99.0%；四環素的濃縮因子可達到2.6，經FO濃縮的TC能通過結晶進行回收。該工作發表于Sep. Purif. Technol. 2015,153:76-83。

　　FO膜是正滲透分離的核心，現有FO膜低的水通量、嚴重的內部濃差極化和膜污染等問題，限制了正滲透技術的廣泛應用。開發新型的高性能正滲透復合膜，在保持高選擇性的同時，減少內部濃差極化，提高水通量，增強膜抗污染性能，成為FO大規模應用亟需解決的問題。隨著納米科技的發展，納米纖維膜的出現有望克服這一瓶頸。而靜電紡絲技術是制備具有連續長纖維結構納米纖維膜最直接、最高效的方法。由于其具有比表面積大、內部貫穿的孔道等特點，以靜電紡纖維膜作為膜支撐層，有望有效地降低傳質阻力，提高水通量。因此，研究組以制備高性能FO膜為出發點，采用靜電紡絲技術為基礎制備新型的納米纖維FO復合膜，并將制備的FO膜用于抗生素廢水處理。研究表明：自制FO膜納米纖維支撐層為多孔支架結構，具備低的結構系數值（168 μm），有效地減輕膜內部濃差極化，且具有較好的選擇滲透性，以2 M NaCl為驅動液的條件下，水通量達能41 LMH；將自制FO膜用于FO-MD（膜蒸餾）耦合系統處理TC廢水，結果表明，FO-MD耦合系統有效地分離TC，TC去除率高達99.9%，且水回收率為15%-22%。該工作發表于J. Membr. Sci., 2017, 523, 205-215。

　　為了進一步提高FO膜的抗污染性能，研究組應用原位合成將納米銀引入納米纖維支撐層，成功制備了負載銀納米顆粒的抗菌FO復合膜。通過原位還原制備的粒徑約為10 nm的銀納米顆粒均勻地分散在PAN纖維內部及纖維表面；銀納米顆粒的引入增強了支撐層的親水性，促進膜水通量的增高；銀釋放速度緩慢，釋放時間長，能長期有效地提供痕量銀離子；自制抗菌FO復合膜對大腸桿菌（E. coli）與金黃色葡萄球菌（S. aureus）表現出良好的抑制生長作用。該成果發表于Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58, 984-993。