基于精密设计的超薄聚乙烯支撑层制备具有增强离子选择性的纳滤膜

纳滤(NF)技术在水处理和分离领域的应用越来越广泛。然而，大多数研究都集中在改进选择层上，而忽略了支持层的作用。凭借在超薄聚合物薄膜方面的专业知识，特别是聚乙烯(PE)膜的生产方面，我们在本研究中探索了通过精确控制超薄支持层的结构和表面特性来提高NF膜性能的可能性。本文中，我们介绍了一种新的NF膜，它使用通过双轴拉伸工艺生产的亚微米超薄PE膜作为支撑层，该膜比市场上的商用PE膜要薄得多。核心创新是：首先，我们专注于精确控制支持层而不仅仅是选择层，从而显著提高了整体NF膜的性能；其次，超薄PE支撑层作为界面聚合的可调界面，为选择层的结构控制和增强膜性能创新提供了可能性。由此产生的NF膜的总厚度仅为~630 nm，这是迄今为止记录的最薄的NF膜。这种超薄NF膜显示出超高的Cl^-/SO₄^2-选择性，为338.03，在现有文献中处于领先地位。这项研究揭示了支撑层在制备选择性层中的重要作用。这种方法有潜力为超薄、高性能纳滤膜的开发做出贡献。

图1. DPA膜的制造。(a)超薄PE膜。(b)亲水DPE膜的制备。(c) PIP浸润DPE的多孔结构。(d) TMC加载到DPE顶部以引发界面反应。(5)界面聚合之后形成致密的PA层，从而获得DPA膜。(6) DPA膜的最终结构包括超薄DPE支撑层及顶部的PA选择层。

图2.膜表面形貌表征。(a-c) PE、(d-f) DPE、(g-i) DPA-T1和(j-l) DPA-T4的SEM和AFM图像。

图3.混合图灵结构的形成机制。

图4. (a) DPA-T4和DPA-T8对不同分子量的PEG的截留率。(b)计算的DPA膜的孔径分布。(c)用不同TMC浓度制备的五种DPA NF膜的阻隔率(对于每个膜，从左到右的测试盐分别为Na₂SO₄、MgSO₄、NaCl和MgCl₂)和渗透率(红色曲线)。(d) DPA-T4的长期稳定性测试。

图5. DPA膜的离子选择性。(a) DPA膜的分离系数及其对Cl^-和SO₄^2-的相应排斥率。(b) DPA-T4与参考膜的Cl^-/SO₄^2-选择性性能比较。

图6.超薄NF膜的机械性能。(a)四种膜在标准拉伸试验中直至断裂时的平均应力-应变曲线。商用4微米厚的PE膜（商用最薄的膜）作为对照组。(b)对每种膜的拉伸模量和最大应力进行比较分析，突出了超薄NF膜的机械强度。

相关成果以“Nanofiltration membrane with enhanced ion selectivity based on precision-engineered ultrathin polyethylene supporting layer”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。文章第一作者为四川大学高分子科学与工程学院硕士生黄贞旭，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院陈显春教授和李润莱副研究员。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c12887