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超级净水膜诞生 浙大制成图灵结构分离膜

  文章加入时间:2018年5月


  从浙江大学获悉,近日,长期从事膜科学研究的浙江大学化学工程与生物工程学院张林教授团队把图灵结构与膜研究结合起来,第一次在薄膜上制造出了纳米尺度的图灵结构。这项首次面向应用领域构建图灵结构的研究成果,于北京时间5月4日发表在国际顶级期刊《科学》上。
  斑马的黑白条纹、海螺的旋转螺纹、植物茎叶的回旋卷曲……大自然中这些规则重复的图案是怎么形成的,一直是个令人好奇的问题。早在60多年前,英国科学家图灵就预测:某些重复的自然斑图可能是由两种特定物质(分子、细胞等)相互反应或作用产生的。通过一个被他称为“反应-扩散”的过程,这两种组分将会自发地自组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑驳的斑点等结构。后来的科学家证实了这个猜想,并将这类结构称为“图灵结构”。
  界面聚合制备超薄分离膜技术从上个世纪80年代问世沿用至今,已经相当成熟,但同是界面聚合制备的纳滤膜和反渗透膜虽然制备工艺和反应机理完全一致,但两者的表面结构却差异很大:纳滤膜表面光滑,而反渗透膜表面呈峰谷结构,较为粗糙。张林团队进行深入研究。在深究差异原因时,他们发现界面聚合过程属于典型的“反应-扩散”体系。
  图灵结构产生的必要条件,就是两个反应物的扩散系数之差要达到一个数量级以上。研究团队想要寻找到一种方法改变反应物的扩散系数差异,使其能满足这个条件。
  经过仔细分析和讨论,研究团队提出在扩散系数小的反应物水溶液中加入阻碍反应物扩散的亲水大分子,这项工作就好比是拉住其中扩散慢的反应物的“大腿”,让它跑得更慢一点。在大量的实验中,科研人员尝试添加各种亲水大分子,使溶于水的反应物向油中扩散的速率降下来,并在水与油的接触面上,与油中的反应物发生反应形成具有周期性变化的图灵结构的新型纳滤膜。
  在长时间的不断试验后,科研人员发现聚乙烯醇作为抑制反应物扩散的亲水大分子的效果最好。
  有了聚乙烯醇对反应物扩散的“阻碍”作用,原本平整光滑的膜表面真的就“长”出了图灵结构。这些只有20-30纳米致密的、具有周期性规律的图灵结构,有的呈管状,有的呈泡状,在膜表面为膜提供了可以让更多水透过的位点,进而增强了膜的透水性能。
  如果通过电子显微镜观察,这些图灵结构,仿佛是一个个半圆形的帐篷密密麻麻地覆在膜的表面。这些“撑开”的鼓鼓囊囊的“帐篷型结构”中间有很多空隙,减少了水透过的阻力,使得膜的分离性能比传统制备方法制备的膜提高了3至4倍。也就是说,透过膜的水比原先要多出3至4倍,大大降低了膜过程的产水成本,提高了分离效率。
  纳滤膜的界面聚合制备,往往只需要不到一分钟的时间就完成了,而加入亲水大分子后扩散速率的变化传统的测试方法几乎失灵。最终科研人员通过核磁共振进行表征,测定了加入亲水高分子后两个反应物扩散速率差,验证了实验确实成功制备了一种具有图灵结构的新型分离膜。
  对于这项研究,三位论文评审专家都给出了很高的评价。其中一位评审专家认为,这是一种非常有趣的新型脱盐薄膜,“据我所知,这是首次尝试在薄膜上制造纳米尺度图灵结构的报道”。

文章摘编自:中国化工报社·中化新网


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