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  分離膜材料，特別是聚酰胺反滲透膜和納濾膜，已廣泛應(yīng)用于海水淡化、地表水處理和廢水再利用，致力于應(yīng)對日益嚴峻的水資源短缺問題。然而，在不降低產(chǎn)水品質(zhì)的前提下進一步改善聚酰胺膜的產(chǎn)水效率，仍是一大挑戰(zhàn)。商品化納濾膜通常由多孔的支撐底膜和復合在其表面的分離層組成，而目前研究者主要通過降低分離層的厚度減小水的透過阻力，以及引入褶皺結(jié)構(gòu)增加納濾膜的有效過濾面積，來克服納濾膜通量和選擇性之間存在的trade-off現(xiàn)象。但是，太薄的分離層往往會帶來缺陷和強度問題；同時，分離層褶皺結(jié)構(gòu)的增加意味著其與支撐層接觸面積的下降，進一步增加褶皺可能造成分離層和支撐層的脫離。

  針對這一問題，中科院蘇州納米所靳健研究員課題組與王強斌研究員課題組合作，利用煙草花葉病毒（TMV）蛋白自組裝納米片調(diào)控界面聚合反應(yīng)，成功制備了具有超高比表面積的蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)聚酰胺納濾膜（如圖1所示）。研究人員首先將具有特定孔道結(jié)構(gòu)的TMV蛋白質(zhì)以六方形式二維自組裝成均孔TMV納米片（如圖2a所示），然后將其抽濾沉積在混合纖維素（MCE）微濾膜的膜孔內(nèi)，以此作為界面聚合的襯底。TMV納米片獨特的浸潤特性使得兩相單體的聚合反應(yīng)界面位于MCE微濾膜孔內(nèi)，因而得到復制了MCE微濾底膜的蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)的聚酰胺分離層（如圖2所示）；同時，TMV納米片具有表面光滑和孔徑均一的特點，在界面聚合過程中能夠控制單體均勻、快速地從水相往油相擴散，促進無缺陷超薄分離層的形成。這種蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)分離層使納濾膜的有效過濾面積得到顯著增加，從而在保持高選擇性的同時大大提升了納濾膜的分離通量，打破了傳統(tǒng)納濾膜通量和選擇性之間的trade-off現(xiàn)象。這一特殊結(jié)構(gòu)納濾膜在實現(xiàn)二價鹽高截留（MgSO₄截留率98%）及超高離子篩分選擇性（Cl^-/SO₄^2-分離選擇性89）的同時，分離通量達到62 L m^-2 h^-1 bar^-1，純水通量高達84 L m^-2 h^-1 bar^-1（如圖3所示）。另外，對于大孔微濾底膜支撐分離層形成的納濾膜的穩(wěn)定性問題，通過研究發(fā)現(xiàn)，沉積在MCE微濾膜孔內(nèi)的TMV 納米片在界面聚合過程中與聚酰胺分離層形成了一個整體復合結(jié)構(gòu)，其支撐作用使得生成的納濾膜能夠保持在長時間運行下的穩(wěn)定性（如圖3所示）。

圖1 蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)聚酰胺納濾膜制備流程

圖2（a）TMV蛋白均孔納米片TEM照片以及其組成基元結(jié)構(gòu)示意圖；（b）、（c）和（e）分別為溶去MCE微濾支撐底膜后的聚酰胺層SEM、AFM和TEM照片；（d）聚酰胺納濾膜截面TEM照片。

圖 3 (a) 蜂窩狀立體結(jié)構(gòu)聚酰胺納濾膜對不同鹽離子溶液的截留行為（1000 ppm鹽溶液）；(b) TMV納米片對聚酰胺納濾膜分離行為的影響（1000 ppm Na₂SO₄溶液）(c)與目前其它文獻報道的納濾膜性能對比；(d) 納濾膜長時間Na₂SO₄料液分離性能。

  以上工作發(fā)表在《Nano Letters》雜志上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01350），論文第一作者為博士研究生桂亮亮和碩士研究生董津辰，方望熹研究員、周堃博士和靳健研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃（2019YFC1711300, 2019YFA0705800）、國家杰出青年科學基金（51625306）、國家自然科學基金（21988102, 51873230, 21703282）和江蘇省青年科學基金（BK20180259）等項目的經(jīng)費支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01350