反滲透（RO）是目前最先進的海水淡化技術(shù)，由于其高脫鹽效率，低能耗和占地面積小，已被公認為是解決淡水資源短缺的重要途徑。目前，聚酰胺薄層復(fù)合膜由于其高通量和高截留已經(jīng)成為市場主流，但仍然存在耐氧化性差的問題，而氯消毒是控制淡水生產(chǎn)中生物污染的重要策略。因此，研究人員們一直在大力尋找新型耐氯聚合物材料；腔勖秧勘徽J為是有前景的材料，但由于其磺酸基團直接連接在聚合物主鏈上，可能會降低其對水分子的可及性，限制水在膜中的快速傳輸。這就鼓勵研究人員對聚合物進行更豐富的分子設(shè)計，同時了解聚合物鏈結(jié)構(gòu)與其基本的水鹽傳輸特性之間的關(guān)系，為制備高性能反滲透海水淡化膜提供方向。
近日，天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孟建強教授聯(lián)合天津理工大學(xué)匙文雄教授，基于威廉姆斯合成的縮聚反應(yīng)設(shè)計了一系列新型親水性聚醚砜（HPES）共聚物。選取巰基乙酸、DL-半胱氨酸鹽酸鹽和2-（二甲氨基）乙硫醇鹽酸鹽三種親水分子，通過巰基-烯點擊化學(xué)制備了羧基、半胱氨酸基和氨基含量可控且可及性更高的HPES-TGA、HPES-CYSAH、HPES-DMAET聚合物。將溶解擴散理論和分子動力學(xué)模擬相結(jié)合，研究了親水基團類型和含量對親水化聚醚砜的水鹽傳輸特性的影響。與相當(dāng)親水基團含量的磺化聚砜（SPSF）相比，所設(shè)計的HPES膜，尤其是HPES-CYSAH膜，表現(xiàn)出優(yōu)異的理想脫鹽性能。
圖1 (a)親水化聚醚砜(HPES)的合成示意圖；(b)擴散水滲透性()與水溶解系數(shù)的倒數(shù)(1/Kw)之間的關(guān)系；(c)水?dāng)U散系數(shù)(Dw)與1/Kw的關(guān)系
圖4 (a)水/鹽溶解選擇性(Kw/Ks)作為Kw的函數(shù)；(b)水/鹽擴散選擇性(Dw/Ds)作為Dw的函數(shù)；(c)通過模擬統(tǒng)計的水合膜的自由體積尺寸分布(FVD)；(d)水/鹽滲透選擇性(/Ps)作為擴散水滲透率()的函數(shù)；(e)導(dǎo)致HPESB-CYSAH和HPESC-CYSAH的水鹽運輸特性差異的機制
該研究團隊認為將可及性更高的大體積親水基團（特別是兩性離子基團）連接在聚醚砜主鏈上，有望成為制備具有高透水性和高水/鹽選擇性的化學(xué)穩(wěn)健脫鹽膜的有效策略。聚合物膜的水鹽傳輸研究與分子模擬相結(jié)合是探索海水淡化膜材料構(gòu)效關(guān)系的有力手段。尤其是模擬聚合物的自由體積分數(shù)和孔徑分布，聚合物與水之間的氫鍵數(shù)量反映基團的水化能力，以及鹽水中聚合物膜的模擬狀態(tài)，對未來高性能海水淡化膜的分子設(shè)計具有重要意義。該工作以“Molecular design of hydrophilized polyethersulfone to enhance water/salt selectivity”為題發(fā)表在高分子領(lǐng)域權(quán)威雜志《Macromolecules》上。文章的第一作者是天津工業(yè)大學(xué)博士生研究生張琛琛與天津理工大學(xué)研究生隋赫羽，通訊作者為孟建強教授和匙文雄教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金委和分離膜與膜過程國家重點實驗室的支持。
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.2c02285
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