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    我国学者在高稳定性海水淡化分离膜领域取得进展

    日期 2020-05-29   来源:化学科学部   作者:赵志坚 杨晓伟 朱旺喜 陈拥军  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:21536005、51621001、21861132013)等资助下,华南理工大学王海辉教授、魏嫣莹研究员与德国汉诺威大学卡罗(Jürgen Caro)教授合作,在抗溶胀海水淡化分离膜领域取得进展。研究成果以“具有高效离子筛分能力的二维碳化钛(MXene)膜用于海水淡化(Effective ion sieving with Ti3C2Tx MXene membranes for production of drinking water from seawater)”为题,于2020年4月16日发表在《自然-可持续发展》(Nature Sustainability)上。论文链接:http://www.nature.com/articles/s41893-020-0474-0。

      海水淡化是解决水资源短缺的重要方法之一。近年来,膜分离已逐渐成为海水淡化领域的主流技术之一。发展高性能海水淡化膜一直是研究人员追求的目标。目前,虽然基于二维材料的层叠膜具有高选择性和高通量,但是由于其在水中面临着严重的溶胀问题,限制了该膜的稳定性及其在实际生产过程中的应用。

      针对此问题,研究团队发展了离子插层策略,在保持膜的高离子截留率和高水通量的同时,成功制备了可抗溶胀的MXene分离膜。离子插层交联后的二维MXene膜能够高效截留溶液中的氯化钠(NaCl),离子截留率高达~89.5%–99.6%,水通量达~1.1–8.5 L m−2 h−1,同时稳定使用时间长达400小时,远高于未处理的二维MXene膜。在模拟海水环境下,Al3+插层的二维MXene膜对多种阳离子的透过率仅为未处理二维MXene膜的1/50以下。理论计算发现,Al3+与二维MXene膜纳米片表面的含氧官能团存在强相互作用,这使得二维MXene膜能够在水溶液中保持良好的结构稳定性。该工作一方面利用插层的离子与二维膜内纳米片之间的成键作用增强层间相互连接,以增强了二维膜在水中的结构稳定性;另一方面通过离子插入调控二维膜层间距,使之实现了高效离子筛分。

      本研究为二维膜的结构调控及结构稳定性研究提供了新的思路,将离子插层与离子交联策略应用于二维膜的结构设计与构筑,不仅可对二维膜的层间空腔距离实现精密调控,而且可以增强二维膜内纳米片之间的相互作用,提高其结构稳定性。该策略不仅适用于二维MXene膜,而且对于其他类型的膜,如纳米片组装的二维膜甚至非层叠结构类型的膜同样适用。此外,离子交联的二维膜不仅可用于海水淡化过程,在其他液相体系分离过程中仍可表现出较好的抗溶胀稳定性,如有机溶剂脱水、纳滤等,经精密调控其层间距后均可取得良好的分离效果。

    (a)Al3+离子插层交联的二维MXene膜示意图 (b)离子插层交联的MXene膜的实物照片

    (c)和(d)离子插层交联的二维MXene膜的截面的扫描电镜和高分辨透射电镜图

    (e)和(f)未经处理的原始二维MXene膜和Al3+离子插层交联的二维MXene膜在干燥条件下以及不同盐溶液中的层间距的变化情况

    图 Al3+离子插层交联的二维MXene膜及其抗溶胀性能




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