圖一 分子動力學模擬結果
微觀結構和形貌
由于無機鹽的加入能促使聚合反應能在空間分布上均勻發生，有利于形成在納米尺度上更均勻的聚酰胺選擇層。通過正電子湮滅壽命能譜分析得到改性后的膜具有更均勻分布的納米孔，而通過傳統界面聚合制備得到的聚酰胺層內的孔徑分布更寬（圖2a-b）。同時，通過XPS深度分析可以發現傳統方法制備的中間聚酰胺層的O/N比則在深度分布上呈現出較大的波動變化，而改性膜中間聚酰胺層O/N比在深度分布上變化較小（圖2c），進一步證明無機鹽的加入能有效地調控聚酰胺層納米尺度的均質性。
圖2 傳統界面聚合和無機鹽調控界面聚合制備聚酰胺層的微觀結構
由于界面聚合反應區域變窄和更少的有效胺單體參與形成聚酰胺層，改性后的聚酰胺層的表觀和真實厚度變得更薄、表面變得更光滑（圖3）。
圖3 傳統界面聚合和無機鹽調控界面聚合制備聚酰胺層的微觀形貌
分離和抗污染性能
研究者通過將不同的無機鹽（如氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、碳酸氫鈉、碳酸氫銨）分別加入到不同的胺單體溶液中（間苯二胺、哌嗪、聚乙烯亞胺）制備得到不同的聚酰胺復合膜，并應用到正滲透、反滲透、納濾過程。發現改性后的膜的水通量/水滲透性得到大幅度提升，同時反向鹽通量降低或鹽截留率提升，有效地克服了滲透性-選擇性的博弈關系（圖4a, b, e）。研究者還發現加入無機鹽的種類會顯著地影響分離性能，為選擇合適的無機鹽來優化分離性能做出了理論指導（圖4g-h）。同時，研究者還發現改性后的膜由于具有更親水、更光滑的膜表面，因而表現出更加優異的抗污染性能（圖f）。
圖4傳統界面聚合和無機鹽調控界面聚合制備聚酰胺復合膜的分離性能和抗污染性能
最后，研究者比較了無機鹽改性的聚酰胺復合膜同文獻報道的聚酰胺復合膜和商業聚酰胺復合膜的分離性能，證實了無機鹽改性的聚酰胺復合膜表現出更加優異的分離性能。
圖5 分離性能比較
小結：本文通過將常用的無機鹽加入到水相胺單體溶液中促使胺單體緩慢均勻釋放到有機相，從而使界面聚合反應在反應空間內均勻發生，有效地調控了聚酰胺層的納米尺度均質性。相較于傳統界面聚合制備得到的聚酰胺復合膜，改性后的復合膜具有更薄、更光滑、更親水、孔徑更均一、結構更均勻的聚酰胺選擇層，從而表現出更加優異的分離性能和抗污染性能。同時也將此無機鹽調控的界面聚合拓展到了不同的無機鹽和胺單體種類上。這一科研成果為調控聚酰胺復合膜選擇層的納米尺度均質性打開了新的視野，對于膜科學和分離領域都有著十分重要的意義。
（注：本文原刊于《高分子科學前沿》，網頁鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/cqWd9YGv-zsAExVpNwycCQ）
