水处理纳滤膜材料的结构调控与性能优化研究获进展

近日，中国科学院近代物理研究所科研团队在水处理纳滤膜材料的结构调控与性能优化方面取得进展。研究利用重离子辐照—径迹蚀刻得到的核孔膜作为基底，提出热耦合纳米孔介导界面聚合新策略，实现图灵脊—谷结构聚酰胺纳滤膜的可控制备，在高效去除水体有机微污染物上展现出应用潜力。

研究发挥核孔膜孔径均一、精准可调的优势，将界面聚合本征放热效应和核孔膜离散均匀纳米孔结构相结合，实现具有图灵结构纳滤膜的可控制备。核孔膜上分立的纳米孔会改变反应界面的散热行为。局部聚合放热无法均匀散开，造成界面温度场空间分布不均；纳米孔会调控水相单体哌嗪在界面的富集与输运。单体浓度场与温度热场发生耦合，共同诱发热耦合反应—扩散失稳，自发长出图灵脊—谷形貌，整个过程不需要额外添加纳米颗粒、高分子添加剂，实现无外添加剂构建图灵结构。

研究进一步建立热耦合反应—扩散理论模型，结合二维有限差分数值模拟揭开图灵图案的调控规律——扩散对比度决定最终图案形貌，而传质、传热的绝对速率，决定图灵纹路的特征尺寸。

实验通过调节基底孔径、水相单体浓度、界面聚合反应时间三个条件，实现图灵结构的精准调控，膜表面脊—谷特征尺寸可在117.7 nm至608.5 nm的宽范围内灵活调节。经过参数优化得到的纳滤膜，兼具高度交联网络与强负电性表面，其筛分截留分子量为320 Da；透水性能达9.11 L m^‒2 h^‒1 bar^‒1，对Na₂SO₄截留率达99.67%。面对多种典型有机微污染物，膜依靠“尺寸筛分+静电排斥”的协同作用，对各类中性、带电有机微污染物去除率均高于98%。同时，该膜具备优异抗污染能力与长周期运行稳定性，连续168 h过滤后性能无明显衰减。

这项工作跳出传统只考虑物质扩散的图灵膜研究思路，把热输运作为调控自组织界面的关键变量，建立了传质—传热耦合调控界面聚合自组织形貌完整理论框架，为高性能纳滤膜开发提供了一套无添加剂的制备新路线。

相关研究成果发表在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到国家自然科学基金等的支持。

论文链接

纳米孔介导热—反应—扩散耦合策略制备图灵结构聚酰胺纳滤膜示意图