近日，環境科學與工程學院王誌偉教授團隊聯合香港大學湯初陽教授和範德堡大學林士弘副教授🤵🏻‍♀️，在Nature子刊《自然-水》（Nature Water）上發表題為“Nanovehicle-assisted monomer shuttling enables highly permeable and selective nanofiltration membranes for water purification”的論文☀️。論文提出了一種納米乳液介導界面聚合反應（NERIP）策略𓀉，製備了一種高滲透性、高選擇性水處理納濾膜。NERIP基於納米乳液輔助單體跨界面穿梭機製🦸‍♂️，在聚酰胺層表面形成納米環形山結構🧚👸，大幅增加聚酰胺層的比表面積與空腔含量，同時單體穿梭作用誘導形成超薄💁、高度交聯、孔徑更均勻的聚酰胺層。由此製備的NERIP納濾膜具有優異的水滲透性和鹽截留率🥢👔。NERIP策略在傳統兩相界面聚合中引入了第三相，該策略成本較低、易與現有製膜工藝兼容，為高滲透性、高選擇性水處理納濾膜製備提供了新方法。

納濾膜分離是水處理領域的重要技術🙅🏻，而納濾膜材料性質對於納濾水處理的性能尤為關鍵✌🏿🏋️‍♂️。傳統納濾膜一般為薄層復合聚酰胺結構，常通過在多孔基膜上發生哌嗪（PIP）和均苯三甲酰氯（TMC）的界面聚合反應製備。由此得到的納濾膜比表面積和空腔含量較低，限製了納濾膜的水滲透性。同時，傳統界面聚合所形成的聚酰胺結構孔徑分布不均，製約了納濾膜的選擇性和精準篩分的能力🧛🏼‍♂️。現有文獻中的製膜方法大多不能同步提升納濾膜的水滲透性和選擇性，且這些方法成本可能較高、與現有製膜工藝兼容性較差，不利於後續放大生產🫳🏽。因此，如何開發簡便、低成本、與現有製膜工藝兼容的新型製膜策略，從而支撐高水滲透性、高選擇性納濾膜構建👨‍🦰，是納濾水處理領域的研究熱點與難點🫔。受反滲透膜製備過程中納米氣泡模板作用的啟發，研究團隊提出在傳統界面聚合過程的水相中引入第三相🐣💂🏿‍♂️，通過新的維度調控界面聚合過程與納濾膜的結構🩹，即NERIP策略，並基於此策略製備了一種高滲透性、高選擇性水處理納濾膜（圖1）🧞。

圖1 基於NERIP的納濾膜製備： (a) 納米乳液製備流程示意👨🏼‍✈️；(b) NERIP中的納米乳液輔助單體跨界面穿梭機製示意🤦🏼‍♀️；(c) NERIP納濾膜製備流程示意🙆🏼‍♀️。

納米乳液由表面活性劑、油滴、水相單體PIP、水混合之後🦟👩🏽‍🍼，經攪拌、超聲形成。納米乳液中💁🏻🕦，單個納米液滴的直徑約為400nm🤾‍♂️。乳液表征與分子動力學模擬證實，納米液滴中富集有高濃度PIP😽。在NERIP中，載有富集高濃度PIP的納米液滴（發揮運載PIP的作用）進入正己烷相，與正己烷相相似相溶🎾。高濃度PIP和TMC在兩者相溶界面發生縮聚反應，形成聚酰胺“氣泡”🤦🏽‍♂️，之後坍縮成為納米環形山結構。

由掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡表征可見（圖2），通過傳統界面聚合（CIP）製備得到的對照組納濾膜呈現典型的結節結構，而基於NERIP策略製備的系列納濾膜（NERIP800、NERIP1200❗️、NERIP1600對應水相中油滴濃度為800👱、1200、1600 mg/l）均呈現納米環形山結構，納米環形山直徑受納米乳液中油滴的濃度影響🤽🏽。

圖2  NERIP納濾膜聚酰胺層的納米環形山形貌：(a) 掃描電子顯微鏡表征；(b) 透射電子顯微鏡表征。

納米環形山結構能大幅增加聚酰胺層的比表面積與空腔含量。同時，研究團隊通過原子力顯微鏡表征發現聚酰胺層的固有厚度也有所降低。這些結構特性變化均有助於增加NERIP納濾膜的水滲透性（圖3a，b）。相較於CIP納濾膜⚠️，NERIP1200納濾膜的水滲透率提高200%以上，達36.8 ± 1.9 l m^-2 h^-1 bar^-1。同時，納米乳液輔助PIP跨界面穿梭作用誘導形成了高度交聯的聚酰胺層🏄🏿‍♂️，保障了NERIP納濾膜的截鹽性能（Na₂SO₄的截留率為99.6 ± 0.1%）。進一步單鹽截留實驗表明，NERIP納濾膜對MgSO₄, MgCl₂, CaCl₂, NaCl的截留率均優於CIP納濾膜（圖3c）。NERIP納濾膜在3.0 Å左右對中性分子的截留呈現驟升現象（圖3d），從側面表明NERIP納濾膜具有更為均勻的孔徑分布🧍🏻。經與文獻中報道的納濾膜性能比較（圖3e）🌊，發現NERIP1200納濾膜突破了現有納濾膜的性能上限🦶，實現了水滲透性與選擇性的同步提升。

圖3 NERIP納濾膜水處理性能：(a)水滲透性與硫酸鈉截留率；(b)水滲透性增加原理示意；(c)不同鹽的截留性能🧑‍🎤；(d)中性分子截留性能；(e)與文獻中納濾膜的性能比較。

NERIP策略在傳統兩相界面聚合中引入了第三相，基於納米乳液輔助單體跨界面穿梭機製，構建了具有納米環形山形貌的高性能水處理納濾膜，NERIP納濾膜突破了現有納濾膜的性能上限❎，實現了水滲透性和選擇性的同步提升🐞。該策略成本較低、易與現有製膜工藝兼容，為水處理納濾膜結構與性能調控提供了新維度。

環境科學與工程學院戴若彬助理教授為論文第一作者，論文合作作者包括學院周慧敏博士生、王天霖博士生🦆👱🏿‍♂️、邱智偉博士生與香港大學龍力博士生👨‍🍳，範德堡大學林士弘教授🍽、香港大學湯初陽教授和王誌偉教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委👕、美國國家科學基金🤾‍♀️、上海市科學技術委員會的資助。

論文鏈接🧑🏽‍🏫：https://www.nature.com/articles/s44221-022-00010-3