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高分子化学翻译:
标题:高渗透聚合物膜包含水净化的定向通道
作者:Hongyang Ma, Christian Burger, Benjamin S. Hsiao, and Benjamin Chu
Department of Chemistry, Stony Brook University, Stony Brook, New York 11794-3400, United States
综述:
这个观点描述了使用纳米复合材料阻隔包含指示水的通道在水的纯化中来增加水的渗透性的概念。在一个实际的方法中,这个通道交界面的组成是在连通的纳米纤维状支架和聚合物母体之间,这个东西被用来引导水分子的定向运输的行为和排除被污染的分子。这个概念被植入重叠的氧化多壁碳纳米管在聚乙烯醇阻隔层中用于超滤的方法所证明。我们期望同样的方法可以被扩展到用来源于木纤维、环境友好型、高效益的超细纤维纳米纤维管(直径大约5纳米)来取代氧化碳纳米管应用于高度交联聚合物阻隔层中。在纳米过滤中所得到的薄膜纳米纤维性复合物(TFNC)膜应表现出一个渗透通量明显高于传统薄膜复合物(TFC)​​膜同时保持相同的抑制能力。
采用膜过滤从不同的水来源,如海水,生产用水,工业废水和其他污染水去净化水,是一种具有高效益的方式来解决今天人类所面临的一个重大的挑战——纯净水的短缺。在过去的几十年中膜科学与技术进展缓慢,用一些主要的技术壁垒去提高过滤过程的能源利用率,特别是在去除小分子物质,例如海水中盐离子(脱盐),仍然没有得到很好的解决。
在传统的纳米过滤(NF)和脱盐作用(例如反渗透技术(RO)或者正向渗透技术(FO))的膜,它们分离的原理主要是基于分子大小互斥原理和水分子在阻隔层中的溶液扩散原理从水中移除小分子污染物(例如,尺寸小于1纳米的污染物)。当用该溶液扩散的途径去处理时,自由体积的概念经常被用于解释非晶态水通道的母体。然而,在传统膜的自由体积阻隔层,作为受限制的高度交联和被抑制的聚合物链,不可避免地组织成一个曲折的方式。因此,渗透水的路径本质上是随机或非指向性的。
最近,材料界一直追求用阻隔层结合“定向水通道”的概念,以改膜的通透性。这个概念是基于体积排阻机制,灵感则来自于水通道蛋白在细胞膜中的沙漏形通道()这一项诺贝尔发明。这些蛋白通道可以选择性地通过水分子和排除其它分子,从而调节水的流量。最近的研究显示,包含这种蛋白通道的膜的水渗透性可以比传统的膜高上5-1000倍。其它多孔材料,包括碳纳米管,沸石,和氧化石墨纳米片,其具有在纳米范围内的分子通道,也被引入到或直接用作阻隔层。例如,对齐的碳纳米管的中空芯(包括单,双和多壁碳纳米管)其中内径小于1nm的已经被用来作为水的通道,水分子通过中空芯的流通速率是那些商业用的膜的2-3倍。有Na-A类型的沸石并入用界面聚合法制造的聚酰***,由此产生了与没有膜的沸石相比反向渗透膜的通透率增加了80%。最近,有含有内插层水层的几何优化的氧化石墨烯纳米片组成的阻隔层也被发现具有几乎不受阻碍的“水”的渗透能力,同时能抑止其他大多数小分子例如氦。
自组装或相变的分子,例如液晶或嵌段共聚物,这是其中之一可供选择的方法去合并阻隔层中的定向水通道。例如,通过溶致液晶分子在一个特殊的QI立方相(为Pn3