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上海交大董瑞蛟团队Angew. Chem.:非对称抗菌嵌段共聚物纳米膜用于天然水的高效纯化

与传统分离技术相比,膜分离过程具有节能、环保、高效、分离过程无相变等优点,能有效改善水质而得到迅速推广。在众多分离膜产品中,纳滤膜作为一种新型的饮用水净化技术,它不仅具有良好的除浊效果,而且可以在几乎全部去除水中的细菌、病毒及水生生物的同时,水和单价无机盐类小分子能够高效透过,达到地表水的无害化和资源化处理。但由于进料液中的悬浮颗粒、胶体及微生物等在膜上的非特异性或特异性吸附,造成严重的膜污染问题,会导致膜孔堵塞,从而使膜的分离性能下降、操作压力增大、维护成本增加、使用寿命缩短,进而严重地限制纳滤膜的长远发展。因此,为了适应更多分离要求和降低生产成本,提高纳滤膜的分离能力和抗污染性能是本领域亟待解决的关键科学问题。


针对上述问题,上海交通大学董瑞蛟团队联合中国海洋大学徐佳教授在传统界面聚合工艺的基础上,创造性地开发了一种抗污染嵌段共聚物聚酰胺纳米膜,其为双面异质结构,通过调节嵌段共聚物中嵌段单元的长度,优化嵌段共聚物聚酰胺纳米膜的分离选择性能和抗污染性能,可以满足不同条件下的天然水净化需求。相关论文“Antifouling Asymmetric Block Copolymer Nanofilms via Freestanding Interfacial Polymerization for Efficient and Sustainable Water Purification”为题,于近日发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。本文第一作者为博士生陈玉,通讯作者为董瑞蛟副教授徐佳教授。该工作得到国家海外优秀青年科学基金、国家自然科学基金、上海市自然科学基金等项目的支持。
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【嵌段共聚物聚酰胺纳米膜的制备】


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图1. 嵌段共聚物的合成及嵌段共聚物聚酰胺纳米膜的制备示意图
目前,抗污染聚酰胺纳米膜主要有两种制备策略。(1)表面后改性策略。相对而言,表面后改性简便易行,可以在一定程度上缓解膜表面的污染行为,也是目前最普遍的改性途径,但最大的缺陷是功能分子接枝密度低,在长期的操作过程中稳定性较差。(2)原位成膜策略。在膜的制备过程中,通过无支撑的界面聚合工艺构建高接枝、无缺陷、抗污染性能优异的无缺陷纳米膜,可以从源头上降低膜表面的污染行为。如图1所示,首先将大分子引发剂和单体,在有机溶剂中引发原子转移自由基聚合反应,后对产物进行酸处理,得到目标水溶性嵌段共聚物。随后,将嵌段共聚物的水相溶液和酰氯单体的有机相溶液通过界面聚合合成接枝密度高、抗污性能优异的无缺陷嵌段共聚物(BCP)纳米膜,可广泛应用于海水淡化、饮用水深度净化、离子和分子筛分等。
【BCP聚酰胺纳米膜的性能】
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图2. BCP聚酰胺纳米膜的分离、抗污染性能
如图2所示,以模拟原水为进料液(100 ppm BSA,10 ppm HA,2000 ppm NaCl/Na2SO4),BCP纳米膜的水通量是PIP纳米膜的4.5倍,同时展现出更高的离子选择性以及更优异的抗污染性能。此外,通过翻转聚酰胺活性层或增大PEG的长度,可显著提高BCP纳米膜的抑菌性能、抗粘附性能及分离稳定性。所制备的BCP纳米膜的水通量恢复值在第四个循环仍高于97.5%,远远优于PIP纳米膜。在相对较低的操作压力下,BCP纳米膜的水通量恢复值也高于95%,展现出了极强的抗污性能。同时,全原子动力学模拟进一步表明,通过调节PEG的链长,BCP膜表面的PEG水化层从1.9±0.4 nm明显增厚到4.7±0.6 nm,进一步增大了BCP纳米膜的抗污性能。
【BCP聚酰胺纳米膜用于天然水的高效分离纯化】
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图3. BCP聚酰胺纳米膜对天然水的分离纯化性能
如图3所示,以天然水(李村河,青岛)为进料液,BCP纳米膜(即R-M-PEG2k和R-M-PEG750)的水通量分别为34.26 LMH和27.00 LMH,远高于PIP纳米膜(7.37 LMH)。此外,经BCP纳米膜处理后,天然水的UV254和DOC值从0.1718 cm-1和10.32 mg/L,显著下降至0.0116 cm-1和1.85 mg/L,净化效率分别为93%和82%。
【总结】
本文利用亲水性嵌段共聚物,通过无支撑的界面聚合工艺制备了一系列高接枝、抗污染的无缺陷BCP纳米膜,同时通过翻转聚酰胺活性层或增大PEG链长,可进一步优化BCP纳米膜的分离性能。所制备的BCP膜不仅展现出更为优异的渗透性能和离子选择性能,同时具有优异的抗污性能和分离稳定性,其在水分离纯化领域展现出了巨大的应用潜力。
研究团队介绍
董瑞蛟,男,博士,上海交通大学长聘教轨副教授,博士生导师,课题组长,获得国家级青年人才、上海海外高层次人才计划、江苏省“333高层次人才培养工程”计划、浙江丽水市“绿谷精英-创新引领行动”计划等。于2020年12月全职加入上海交通大学系统生物医学研究院建立精准生物医用材料实验室,主要围绕肿瘤的诊断及治疗这一热点科学问题,致力于先进功能高分子材料的可控制备及其在药物、基因、蛋白递送、生物显影、膜分离等多个领域中的应用。已累计发表SCI论文30余篇,包括Nature、Science、Nat. Chem.、Nat. Biomed. Eng.、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Acc. Chem. Res.、ACS Appl. Mater. Interfaces等,多篇论文入选ESI高被引论文及年度阅读量最高论文,相关成果被科学杂志、PHYS.ORG、MIRAGE新闻网、国际化学工程师协会(IChemE)、ACS Noteworthy Chemistry等作为研究亮点报道。近年来,主持并参与了10余项国家级省部级科研项目,以及政府与企业等横向项目。作为联合创始人在伦敦成立了Exactmer有限公司、作为创始人在江苏成立了希坤新材料科技有限公司、作为创始人在浙江成立了普睿信生物科技有限公司。
董瑞蛟团队主要致力于设计开发具有精准序列结构的多维有序功能高分子材料,以及其在药物递送、基因治疗、生物显影、精准分离等多个领域中的应用。欢迎国内外理学、工学、生物学等学科博士、硕士、学士加入团队,团队常年招收博士后、博士生、硕士生、科研助理,有意申请者请提供个人简历,发送至邮箱:drj021@sjtu.edu.cn。
个人主页:
https://scsb.sjtu.edu.cn/Researcher/12270.html



文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202408345

来源:高分子科学前沿



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