耐温高分子纳滤膜研究进展：制备方法与应用前景
耐温高分子纳滤膜研究进展：制备方法与应用前景
浙江大学万灵书教授团队对耐温高分子纳滤膜的制备方法、材料特性和应用领域等方面的最新进展进行了综述。文章重点介绍了如何通过制备耐温基膜、设计合成新型分离层、引入纳米材料、增强界面反应以及调控界面聚合条件等策略来增强高分子纳滤膜的热稳定性，总结了部分商品化纳滤膜的主要指标包括产水量、截留率和最高使用温度，并展望了该领域的发展趋势，以期推动耐温高分子纳滤膜的研究开发。
背景介绍
大部分商品化的高分子纳滤膜适合于常温分离，在高温环境下膜的分离性能和稳定性都显著下降，高温分离对高分子纳滤膜提出了新的挑战。目前广泛应用的高分子纳滤膜由于其固有的化学结构特点，随着料液温度升高，高分子链热运动加快，自由体积增大，膜孔径发生变化，截留性能可能大幅衰减，在纳滤过程中操作温度通常被限制在50 °C以下。因此，开发能够在高温条件下长期稳定运行的高分子纳滤膜不仅有助于提高分离效率，降低能耗，还能增强工艺灵活性。
文章概述
本篇综述介绍了耐温高分子纳滤膜的研究现状和重要进展，首先总结了部分商品化纳滤膜的主要指标如产水量和截留率及其建议使用温度范围，进而重点介绍了相转化法和界面聚合法制备耐温高分子纳滤膜的最新研究进展(图1)，最后进行了总结和展望，期望为耐温高分子纳滤膜的进一步发展与应用提供参考。
图1 耐温高分子纳滤膜的制备方法与性能
相转化工艺最早由Loeb和Sourirajan于20世纪60年代引入到分离膜的制备中来，目前已得到广泛应用。在相转化法中，制膜的关键步骤包括溶液配制、相转化、固化和后处理等。通过精确控制相转化过程可以调节膜的孔结构和形态，从而增强分离膜的耐温性能，但成膜材料的本征性质对其耐温性能具有决定性影响。合成聚醚砜酮等耐温高分子并相转化成膜，或进一步引入芳香族高分子构筑分离层制备复合膜，可以显著提高膜的高温分离性能。
界面聚合法凭借其制备工艺简便、反应条件温和、合成效率高和制膜成本低等优势，成为制备耐温薄层复合膜常用的方法。然而薄层复合膜的多层次结构也决定了其高温分离性能将受到多重影响。一方面，多孔基膜的孔径、亲水性、荷电性和粗糙度等性质会影响复合膜的结构和耐温性；另一方面，由界面聚合合成的选择性分离层在高温料液作用下的形态结构变化将直接决定了其分离性能。
近年来研究者们主要在以下方面取得了进展：
- 发现多孔基膜的耐温性对复合膜的高温分离性能具有显著影响。这是由于多孔基膜和分离层紧密连接在一起，基膜的任何应力变化都会影响到分离层。在高温分离过程中，基膜受热膨胀会导致分离层产生缺陷，进而劣化膜的分离性能。
- 证实复合膜分离层的性能受到其分子结构和聚集态的影响，选择不同的界面聚合单体可调控分离层的结构和性能。当前最常用的纳滤膜界面聚合体系分别以哌嗪和均苯三甲酰氯为水相和油相单体。由于哌嗪形成的聚酰胺层的刚性较弱，温度升高时，高分子链运动较为剧烈，自由体积增大且孔膨胀，导致截留率下降，制得的复合膜高温分离性能不佳，需要引入新的聚合单体。
- 提出在薄层复合膜的分离层中掺杂无机纳米材料合成薄层纳米复合膜等策略。无机纳米材料的加入可以有效限制高分子链的运动，削弱薄膜在高温下的形变，提高其热稳定性。
- 传统的界面聚合采用缩合聚合反应来实现单体向高分子的转变，然而副产物的形成会抑制反应平衡的正向进行，不利于反应的充分进行。引入“点击”化学等方法来增强界面反应进而提高复合膜耐温性能得到了一定的关注。
- 发现通过调控界面聚合条件能够提高聚酰胺分离层的厚度和交联度，进而改善复合膜的耐温性能，通常可以从单体浓度、聚合时间、反应温度及后处理固化等方面对界面聚合进行调控。
展望未来，耐温高分子纳滤膜成膜材料的拓展与制膜工艺的优化、长期服役稳定性的提升、膜污染控制与膜的再生等方面都是该领域值得关注的研究方向。
本文为“高分子膜”专辑特约稿件，上述工作以综述形式即将在《高分子通报》印刷出版，论文第一作者为浙江大学高分子科学与工程学系硕士生张子璐，共同通讯作者为浙江大学万灵书教授和沃顿科技梁松苗教授。