• 首次利用COOH-COF制备了一种具有改善亲水性和负电荷性的TFNFO膜
• 同时实现超高水通量、较低的反向通量选择性，一定程度上打破了权衡效应
• 在渗透膜和压力驱动膜工艺中均保持了良好的性能
• 内部浓度的极化大大减轻

研究背景

膜技术为解决日益严重的淡水短缺和污染问题提供了有潜力的解决方案。正向渗透(FO)作为一种新兴的膜技术，在水处理中得到了越来越多的关注。与压力驱动的反渗透(RO)工艺不同，FO利用进给溶液(FS)和浓缩抽提溶液(DS)之间的固有渗透压力作为驱动力，实现半透膜的水输运。FO工艺具有操作压力小、效率高、污垢少等优点。

膜的广泛应用伴随着对膜材料研究新的关注。高性能FO膜是FO开发的当前技术障碍之一。由超薄活性聚酰胺（PA）层和多孔超滤（UF）基材组成的薄膜复合（FOC）FO膜，由于其较高的透水性和宽的pH耐受性而一直占据着FO膜市场主导地位。然而，由于具有不均匀孔，有限的孔隙率和差的互连性的无定形PA层会引起抗渗透性严重阻碍了脱盐效率。此外，归因于超滤基质的内部浓度极化（ICP）大大降低了有效的渗透驱动力，并进一步降低了分离效率。为了发挥FO工艺的潜在应用，先进的膜材料和精心设计的结构对于开发至关重要。通过添加具有确定空腔的纳米填料，例如水通道蛋白，金属有机骨架，石墨烯，纳米管，已经应用了一些策略来调节PA层的孔径和相互连接的空隙和自组装的小分子，制造具有高透水性的薄膜纳米复合材料（TFN）膜。然而， PA基质的亲和力弱，以及与PA层的厚度不兼容的纳米填料尺寸得到的纳米填料聚集，可能导致界面的微孔，因此选择性较差。因此，采用具有化学相似性和对PA基质具有亲和力的新型多孔有机纳米填料对兼具高透水性和选择性的先进的FO膜非常重要。

此团队对作为有机纳米填料的水稳定性COF（TpPa-2）进行了开创性研究，以制造新型高效的UF膜，实现透水性和腐殖酸排阻的同步改善。为了匹配PA层的厚度，将TpPa-2剥落到纳米片中，然后掺入PA层中，将透水性提高三倍，并具有出色的H₂O / NaCl选择性，这说明了其巨大的潜力。PA层的亲水性和电荷性质归因于膜表面上的羧基（-COOH），其源于未反应的酰氯基团的水解。如果引入到PA层中的COF富含-COOH基，则该膜将表现出令人满意的亲水性和对水合阴离子的静电排斥作用。全面研究了COF-COOH对PA层膜形貌，表面电荷，亲水性，机械强度和孔径分布的影响。在渗透驱动的FO和压力驱动的RO工艺下测试了TFN膜的分离性能，进一步探索了COF在高效膜中用于脱盐和水净化的潜力。

研究内容

材料的制备

结果与讨论

材料表征

COF-COOH掺入对TFN膜表面性能的影响

水溶液中具有各种COF-COOH含量的TFN膜的机械性能

水溶液中各种COF-COOH含量的TFC和TFN膜的MWCO和孔径分布

掺入COF-COOH的TFN膜的内在传输性能和FO性能

结论

从膜结构和化学的角度出发，这项工作旨在探索通过结合亲水性COF-COOH构建具有高透水性和选择性的TFN膜的脱盐。COF-COOH中大量的-COOH基团，使PA层具有更好的亲水性，负电荷更大和可用的水通道。因此，优化的TFN膜在渗透驱动和压力驱动过程中都实现了水通量和H2O / NaCl分离选择性的同步改善。特别是，它的水通量相较于原始TFC膜提升了四倍，同步提高的了反向通量选择性。此外，精心设计的具有足够机械强度的TFN膜显示了58.6μm的超低结构参数，有效缓解了FO工艺中的ICP。有趣的结果进一步证实了带电荷的亲水膜中羧化COF的潜在优势，可以有效地进行脱盐和水净化。