作者简介
• 第一作者
姓名：马楠
机构：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
研究方向：聚酰胺/聚酯纳滤膜结构设计及其分子分离应用研究
• 通讯作者
姓名：李贵亮
机构：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
研究方向：低维纳米分离膜材料及膜过程、新型聚合物纳滤膜
姓名：刘富
机构：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
研究方向：聚合物微孔膜的结构调控、表界面功能化及工程应用
文章概述
来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘富研究员团队在 Membranes 期刊发表了文章，介绍了一种基于“羟基-铵”双季铵二乙醇胺 (MDET) 分子设计的新型疏松聚酯纳滤膜，应用于染料合成工业中的高效染料/盐分离。该研究利用MDET的独特分子结构构建了具有松散交联网络的纳滤膜，实现了对染料分子的高截留和一价/二价盐离子的高透过，展现出优异的选择性。此外，该膜还具备超过100小时的长期运行稳定性、优异的抗污染性和耐氯性，为染料脱盐过程的结构导向设计和实际应用提供了新见解。
研究背景
合成染料应用广泛，其生产中的脱盐环节至关重要——无机盐作为助剂添加后浓度可达30%，严重制约高纯度染料的分离纯化。传统蒸发和萃取技术能耗高效率低，而膜分离技术因低能耗、无污染等优势成为理想替代方案。纳滤膜凭借纳米级孔径和荷电特性可实现分子/离子的高效分离，但传统膜致密的分离层限制了离子快速透过，理想的染料脱盐膜需同时具备高染料截留和高盐透过能力。构建疏松纳滤膜、增加分离层自由体积是有效策略，但现有制备方法如表面改性、层层自组装等，工艺复杂且对二价盐渗透性不佳，合理设计新型单体可解决上述问题。与聚酰胺膜相比，聚酯膜使用反应活性相对较低的羟基单体，易于形成疏松结构。同时因聚酯键具有更高的亲水性和耐氯性，保证了抗污性以及化学清洗过程中的结构稳定性。基于此，本研究通过分子设计开发了新型疏松聚酯纳滤膜，实现连续稳定的染料分子/盐分离过程，为染料脱盐提供了新思路。
研究过程与结果
研究团队使用二溴对二甲苯与N-甲基二乙醇胺两种单体通过季铵化反应合成“羟基-铵”双季铵二乙醇胺 (MDET) 单体。使用核磁进行结构分析，通过峰位置以及峰面积确定MDET的成功合成。进一步通过原位界面聚合方法，调控MDET浓度 (1~2.5 wt%) 完成MDET-TMC TFC膜 (M1-M4) 的构筑 (图1)。
图1. MDET单体合成以及膜的制备。
研究人员系统探究了单体MDET浓度对疏松聚酯纳滤膜分离层形成的关键作用，确定了用于染料脱盐的高选择性MDET-TMC薄层复合膜的最优制备条件，并进一步评估了MDET-TMC疏松纳滤膜在实际染料脱盐中的应用性能 (图2)。在伊文思蓝/氯化钠混合溶液的连续分离测试中，该膜对染料的截留率高达99.9%以上，而对盐的截留率低于20%，且在7小时内保持稳定。同时，膜通量随操作压力升高呈线性增长，在1000至5000 ppm的宽盐浓度范围内，对硫酸钠的截留率均低于30%。上述结果表明，该膜在不同工况下均能实现高效的染料/盐选择性分离。
图2. MDET-TMC膜的分离性能。
研究人员进一步系统评估了MDET-TMC疏松纳滤膜的长期运行稳定性、抗污染性能 (图3) 与耐氯性能 (图4)。在100小时连续运行中，膜对硫酸钠的截留率始终低于30%，水通量仅略有下降；经多次循环过滤后，通量恢复率高达96.4%，展现出优异的抗有机污染能力。此外，在含氯溶液中浸泡100小时后，膜的酯键结构、表面形貌及脱盐性能均保持稳定，表明其具有良好的耐氧化性。
图3. MDET-TMC膜的连续运行稳定性与抗污染性。
图4. MDET-TMC膜的耐氯性测试。
研究总结
在本研究中，研究人员基于分子设计构筑了新型“羟基-铵”双季铵单体MDET，并通过界面聚合法制备聚酯纳滤膜。该膜具有疏松的结构和对一/二价离子的选择性透过特性，其中最优膜展现出优异的分离效率 (EB/NaCl分离因子达825，且7小时运行中保持稳定)、高水通量 (38 L·m-2·h-1) 以及较低的盐截留率 (Na2SO4为28.97%，MgSO4为21.68%，NaCl为8.33%，MgCl2为11.24%)。此外，该膜在100小时运行中对二价盐溶液始终表现出低的截留性，兼具良好的抗污染性能 (通量恢复率达96.4%) 和高耐氯性。该工作为染料脱盐过程中染料与一/二价离子的分离调控提供了新的见解。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2077-0375/15/2/59
Membranes 期刊介绍
主编：Spas D. Kolev, The University of Melbourne, Australia
期刊主题涵盖非生物膜和生物膜科学及技术，包括膜动力学、膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品工业中的应用等方向，也包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。
2024 Impact Factor：3.6
2024 CiteScore：7.9
Time to First Decision：15.3 Days
Acceptance to Publication：3.3 Days
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/membranes
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