Science：新型反渗透膜 厚度可调、有望实现海水淡化技术的突破

图片：Maqsud R. Chowdhury/McCutcheon实验室

图示为3D打印电喷雾过程示意图（包括俯视图和侧视图），该过程主要用于制备极为光滑的复合薄膜。针上装有两种单体的溶液：间苯二胺(MPD)和三甲酰氯(TMC) 。利用电喷雾技术可将一层精细的材料涂在附着于旋转滚筒上的基体上。两种单体在接触时可发生反应，形成特别光滑且极薄的聚酰胺膜。粗糙度和厚度可通过增加或减少溶液中的单体浓度，以及在旋转滚筒上添加额外的单体层来进行调整。

目前，全球有超过3亿人依赖淡化水来满足部分或全部的日常需求。随着世界各地人口的不断增长和生活水平的显著提高，该需求只会持续增加。

然而，从海洋中获取饮用水需要复杂且昂贵的海水淡化技术。最常用的淡化技术是反渗透法。在该过程中，海水通过一层薄膜以去除盐离子和其他小分子污染物。尽管全球范围内反渗透膜的使用仍在不断增加，但其本身存在的许多缺点仍在困扰着该行业。其中就包括高能耗和渗透膜污染等问题。

来自康涅狄格大学的研究人员在《科学》杂志上发表的一篇论文中，提出了一种生产薄膜的新方法。这可能会让人们重新思考反渗透膜的设计和使用原理。科学家们利用点喷涂技术制造制造出了一种超薄、超光滑的聚酰胺膜。这种膜不易产生污垢，而且在淡化过程中耗能更低。

康涅狄格大学化学与生物分子工程副教授、论文作者Jeffrey McCutcheon说道：“今天用于反渗透的薄膜并没有以一种能够控制其特性的方式制造出来。我们的方法使用了一种‘附加’技术。该技术可以控制膜的基本特性，如薄膜厚度和粗糙度。目前所使用的传统方法不可能实现这点。”

传统的反渗透膜制造技术在近40年里都没有太大变化。传统制造方法被称为界面聚合法，该方法依赖于水相胺和有机相盐酸单体之间的自终止反应。由此产生的聚酰胺膜非常薄、选择性高、可渗透水，这已成为反渗透膜制造的权威标准。然而随着该领域的不断发展，更好地控制反应进程以允许不同厚度和粗糙度的膜优化水流、减少污垢，变得愈加紧迫。

康涅狄格大学所采用的方法提供了对聚酰胺膜厚度和粗糙度的高级控制。典型的聚酰胺膜厚度在100nm到200nm之间，无法对其进行控制。康涅狄格大学的电喷雾方法可以控制厚度低至15nm的薄膜，并能够以4nm的增量控制膜厚度。这是该领域有史以来达到的最先进水平。

同样，典型的反渗透膜粗糙度超过80nm。康涅狄格大学的研究人员能够制造出粗糙度低至2nm的薄膜。尽管薄膜具有这些特性，但它仍然表现出高的耐盐性，并且在反渗透技术所用的典型压力下操作时具有很强的抗盐性。

“我们生产聚酰胺膜的印刷方法具有可扩展的额外好处，”McCutcheon说。“就像电纺丝在轧辊到轧辊的加工过程中取得了巨大进步一样，电喷涂也可以相对容易地进行缩放。”

这项研究的作者还得出结论：这种类型的制造可以节省化学消耗，因为传统化学浴不是膜制造过程的一部分。

“在实验室中，与传统的界面聚合相比，我们通过印刷减少了95%的化学体积，”McCutcheon解释说。“这些好处将在大规模的膜制造中被放大，该过程比过去40年所用的方法更加‘绿色’环保。”

这种创新性的新方法不仅局限于淡化海水，还可能为其他分子或离子分离过程制备出性能更为优异的薄膜。

“这种方法并不局限于反渗透技术所用的薄膜，”McCutcheon说道。出了学术职责外，他还担任了康涅狄格大学弗劳恩霍夫美国能源创新中心的执行董事。该中心致力于研发新的薄膜应用技术。“事实上，我们希望这种方法能让新材料应用于无数的膜分离过程。这些可能是之前不存在或者是这些材料不能使用的过程。”

原文来自：materialstoday，原文题目：New additive manufacturing technology produces membranes to order，由材料科技在线团队翻译整理。