反渗透复合膜最新研究进展

第33卷第4期2013年8月膜科学与技术^便^位RANESCIENCEANDTECHNOI。0GYVoL33No．4Aug．2013反渗透复合膜最新研究进展张所波，张奇峰，李胜海(中国科学院长春应用化学研究所，生态环境高分子材料重点实验室，长春130022)摘要：反渗透膜在海水淡化、超纯水制备、污水处理、制药及生物技术等领域得到了广泛应用．目前，最成功的反渗透膜是通过界面聚合方法制备的以交联聚酰胺为分离皮层的复合膜．交联聚酰胺皮层的结构和性质对最终反渗透膜的分离性能起关键作用．本文简要介绍了界面聚合复合膜的形成过程和结构、新型界面聚合功能单体、界面聚合反应添加剂、纳米杂化反渗透复合膜、高耐氯氧化性反渗透膜，以及反渗透复合膜表征方法创新等方面的研究进展和发展趋势．关键词：反渗透膜；复合膜；界面聚合；纳米杂化；耐氯氧化性中图分类号：TQ028．8文献标志码：A文章编号：1007—8924(2013)04—0001—061960年Loeb和Sourirajan制得了世界上第一张高脱盐率、高通量的不对称乙酸纤维素(CA)反渗透膜，标志着现代反渗透技术的诞生．20世纪80年代初，Filmtech公司推出了具有里程碑意义的高脱盐率、高通量的全芳香族聚酰胺反渗透复合膜FT一30，标志着反渗透技术进人了一个新的阶段．此后，反渗透技术得到了全面的应用[1]．反渗透膜是反渗透技术的核心部件．按膜的结构形态，反渗透膜可分为非对称膜和复合膜．复合膜的优势在于其分离皮层和支撑层可以被单独优化[z]．反渗透复合膜的制备方法有多种，包括表面涂覆法[31、单体催化聚合法‘4|、表面接枝聚合法‘s|、界面聚合法[6’7]、层层自组装[8’9]等．其中，以界面聚合方法最为成功．对于界面聚合反应，聚合单体的结构和性质、界面聚合反应过程控制、添加剂、支撑层的性质等都对最终复合膜的结构和性能产生影响．本文主要就反渗透复合膜领域的一些热点研究方向的研究进展作综述．1界面聚合复合膜形成过程和结构界面聚合成膜过程中的界面反应决定了复合膜的结构特征，进而制约着膜的分离性能．加深对成膜机理的认识，对制备高性能的复合膜具有重要意义．关于界面聚合反应发生的区域，文献中曾有过争论．以Morgan[]03为代表的学者们提出模型，认为界面聚合反应总是发生在靠近界面的有机相侧．而以MacRitchie[11]为代表的学者们则认为反应发生在由界面吸附的单体分子之间形成的混合单分子层中．目前，大多数的研究者赞同Morgan提出的模型，原因是酰氯单体在水中的溶解度非常低，而水相单体(如间苯二胺)则在有机溶剂(如环己烷)中具有一定的溶解度；另一个原因是酰氯基团遇水极易分解[121．关于界面聚合膜形成机理，学者们的观点也不一致．一些学者认为，界面聚合反应初始时刻发生在油一水界面处，随着反应的进行，反应逐渐转移到生收稿日期：2012—11—23基金项目；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009CB623401，2012CB932802)；国家高技术研究发展计划(863计划)重大项目(2012AA03A601)；青年科学基金项目(51203151)第一作者简介：张所波(1963一)，男，吉林省白山人，研究员，博士生导师，主要从事高分子分离膜材料合成研究，E-mail：sbzhang@ciac．j1．ca万方数据膜科学与技术第33卷成的聚合物膜与有机相界面处D3]。而另一些学者则认为有机相中存在一反应区，反应区位于界面附近，聚合反应仅限在反应区内进行[14I．天津大学的王志教授等E15,16]利用视频光学接触角测试装置(OCA)和粒子成像测速仪(PIV)对N一甲基二乙醇胺(ME-DA)与均苯三甲酰氯(TMC)界面聚合反应成膜过程进行了可视化监测研究．结果表明：(1)界面聚合膜是朝向有机相侧生长；(2)界面聚合膜表面通常会出现凸起结构，这些凸起结构是由于界面聚合过程中界面处存在的水相单体(MEI)A)浓度梯度所引起的界面不稳定造成的；(3)膜上出现的这些凸起结构与膜面的粗糙度有关．关于界面聚合膜的结构，通常认为复合膜皮层的物理结构和化学组分是非均匀分布的．在平面结构方向，Wamser等n7]在滴定实验的基础上提出，复合膜表面是由羧酸和氨基占主导地位的．在垂直结构方向，Freger和SrebnikEl8]在数学模型的基础上提出复合膜是由胺基富集层、羧酸富集层，以及两层中间的致密层组成的．正是这层中间层起主要的分离作用．这种多层次结构被更为直观的复合膜截面透射电子显微镜照片所证实[19|．MarinasE20]通过对比聚酰胺反渗透膜分离皮层的卢瑟福背散射光谱(RBS)和X射线光电子能谱(XPS)结果也发现，一些复合膜在垂直方向存在化学组成不均一性．2新型界面聚合功能单体在反渗透膜的制备中，材料本身的性质