高性能納濾膜材料的設計近年來成爲膜領域關注的熱點。針對納濾膜發展中滲透性與選擇性之間的Trade-off效應、膜汙染和分子量相近物質分離的共性問題，南京工業大學膜科學技術研究所孫世鵬教授團隊基于環狀超分子葫蘆脲開展了主客體強化界面聚合納濾膜的系列研究工作，精密構築了納濾膜的分離孔道和傳輸通道，提升了納濾膜的抗汙染性能，實現了水體系中小分子醇類高效截留，相關研究成果分別發表在《美國化學工程師學會雜志》《膜科學》和《納米快報》上，部分科研成果已經實現工業化生産和應用。

孫世鵬，南京工業大學膜科學技術研究所教授，博士生導師，研究方向爲納濾膜材料與過程。先後主持新加坡國家科研基金會、中國國家自然科學基金面上項目等項目。在AIChEJ.,Nano.Lett.,Chem.Eng. Sci.IEC&R,J.Membr.Sci.,J.Mater.Chem.A.,Environ.Sci.Technol., Chem.Eng.J.等期刊發表了40余篇論文。申請24項專利，已授權11項中國、新加坡專利，11項專利技術轉讓給3家公司進行産業化。榮獲化學工程師學會（IChemE）頒發的”新加坡青年化學工程師獎”，另榮獲”陳嘉庚青少年發明獎””新加坡工程師協會傑出貢獻獎”。擔任中國海水淡化與水再利用學會首屆青年專家委員會執行委員，中國化工學會化工過程強化專業委員會第一屆青年委員會委員，Elsevier旗下期刊Case Studies in Chemical and Environmental Engineering副主編。

打造純水滲透新通道

“葫蘆脲裏有個輸水的空腔，可以增加輸水的孔隙率。”南京工業大學助理教授曹雪麗和研究生郭嘉林發現的這個”秘密”，爲高性能納濾膜如何更快濾水提供了新思路。

研究團隊立即在水相中加入了葫蘆脲。”葫蘆脲不溶于水，當它的酸性被調到pH6.5時，葫蘆脲與水相中的哌嗪發生反應，産生一種輪烷通道。”曹雪麗在實驗中發現，大尺寸葫蘆脲對水相單體哌嗪的封裝，限制了其在界面聚合反應中的擴散，使新型納濾膜選擇層更薄，並獲得了更低的表面粗糙度，”純水滲透率高于傳統聚酰胺納濾膜的3~5倍。”

南京工業大學研究生劉美玲和唐銘健在另外一項研究中，同樣利用界面聚合法，除了在水相中加入了葫蘆脲，還添加了大尺寸多胺（聚乙烯亞胺、三乙烯四胺等）。”葫蘆脲與多胺的結合，使得多胺在擴散過程中的自抑制性提高，膜表面出現了大量的納米鏈圖案，有效提升了膜的純水滲透率。”

提供産業化新思路

純水滲透率變高了，硫酸根離子和異丙醇會不會成”漏網之魚”？曹雪麗介紹說，葫蘆脲端口的大量羰基顯著增強了選擇層的負電特征，而硫酸根離子剛好也是負電性質，于是被高效截留，氯離子的透過率大幅提高。水軟化技術是降低飲用水硬度、提升飲用水質量的重要手段，這需要從氯化鈉中除去硫酸鈉，在氯堿工業中，也需要從高濃度氯化鈉中分離出硫酸鈉。曹雪麗研究中制備的”葫蘆脲改性納濾膜“不僅提高了純水滲透率，也顯示出極佳的硫酸根離子與氯離子的分離性能，爲水軟化和氯堿工業提供了新的思路。

在唐銘健的實驗中，異丙醇成爲截留的對象。爲了確保異丙醇最大程度地被截留，研究團隊經過反複試驗，通過調節葫蘆脲的濃度最終發現，當葫蘆脲的濃度調至0.06%左右，納濾膜對異丙醇的截留率最高。在篩選出的這張納濾膜上，異丙醇的質量分率從0.5%濃縮至9%。”從0.5%到9%的提升正是生物發酵中成本最高、最難攻克的一個環節。”唐銘健說。

據孫世鵬介紹，傳統發酵産出的異丙醇的濃度很低，需要進一步提純，而經過透醇膜和透水膜可以依次將異丙醇的濃度一步步提高到99%。然而，在低濃度（1%~8%）提純過程中，成本很高，這次他們制備的”多胺—葫蘆脲納濾膜”有望應用于生物發酵醇的預濃縮過程，爲生物燃料等産品生産過程的節能降耗提供新思路。在”葫蘆脲改性納濾膜”的基礎上，南京工業大學研究生蔡靜還引入了樹枝狀大分子，”大尺寸的樹枝狀大分子使膜表面粗糙度進一步降低，其富足的氨基使膜表面親水性提高，兩者都有益于提高膜表面的抗汙染性能”。

讓成果更快更好落地

在江蘇省南京市浦口經濟技術開發區內，13800平方米的南京膜材料産業技術研究院有限公司裏，從新型納濾膜的基礎研發到産業化生産線，一體化創新鏈條上，葫蘆脲改性納濾膜有了自己響亮的名字和産品——特種納濾膜系列。

“科學研究和服務社會都是我們的使命所在，爲了盡快實現工業化應用，我們優先申請了專利，然後不斷進行創新研究，發表相關系列論文。”孫世鵬介紹說，早在2016年12月，課題組就申請了”一種超分子複合納濾膜及其制備方法和應用”的發明專利，並于2018年8月獲批。

在江蘇省産業技術研究院和南京工業大學國家特種分離膜工程技術研究中心的支持下，超分子複合納濾膜技術已經走出實驗室，面向工業物料分離和家用純淨水等應用，開發出了多款商業産品，其中家用純淨水納濾膜元件性能已經達到國際領先水平。目前，特種納濾膜系列産品正在南京膜材料産業技術研究院有限公司開展市場化推廣。

南京工業大學膜科學技術研究所成立于1994年，主要從事無機陶瓷膜研制、膜應用及膜集成技術開發、膜催化反應以及無機多孔材料開發等研究工作，在膜制備、表征、汙染與清洗及膜組件和應用設備研制等各個方面取得了多項重要成果，多項成果通過省部級組織的專家鑒定，技術達到國際先進水平，産品填補了國內商品無機膜的空白。同時取得我國無機膜領域的五個第一：建立了我國第一個無機膜工業産品生産基地；推廣我國第一台工業無機膜成套設備；完成我國第一個無機陶瓷分離膜研究項目並通過部級鑒定；獲得我國無機膜第一個國家科技進步獎；獲得我國無機膜第一個國家技術發明獎。

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注：文章部分素材來自南京工業大學常青藤新聞網、南京工業大學化工學院、中國科學報