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膜分离是当前解决人类面临的水资源、环境和传统产业改造等领域重大问题的共性技术之一。但传统分离膜普遍存在的trade-off效应成为制约分离膜性能提升的瓶颈。“限域传质分离膜突破了trade-off效应的制约，兼具高通量和高选择性，尽管目前对此类膜的机制认识尚不清晰，相关膜材料的制备也仍处于经验摸索阶段，但它的前景无疑是值得期待的。未来必须尽快建立限域膜的理论模型，指导其设计制备从‘经验式’向‘定制式’跨越。”在不久前举办的弘扬闵恩泽科学精神学术报告会上，徐南平院士对限域传质分离膜的发展提出了自己的看法。
国外：尝试三种途径
trade-off效应即分离膜在渗透性和选择性之间存在的此升彼降的矛盾关系。它的存在使分离膜很难兼具高渗透性和高选择性。对传统分离膜而言，trade-off效应是一种符合常规的经典现象，那么能否突破这种效应，在保证分离效果的前提下提高通量，或者在指定通量的情况下提高分离效果呢。徐南平介绍，针对这一想法，国外学者已做了多种尝试。
一种是引入分子筛，调控传统膜的孔道结构。比如美国加州大学的科研人员在反渗透膜中加入沸石分子筛，改变聚酰胺自身的孔道结构，在保证高盐截留率的同时，将水的渗透性提高1倍。
另一种是引入功能组分，改变传统膜材料性质。比如向高分子膜材料中引入功能组分——电解质，利用其盐析效应调控膜材料中的水分子含量，同步提高膜的渗透性与选择性。
还有一种是基于石墨烯构筑“超低摩擦”的膜孔壁，以实现水的超快选择性传递。麻省理工学院的科研人员进行了这方面的研究，他们基于石墨烯片层构筑的膜孔壁，在保证近乎100%盐截留的前提下，将水的渗透性提高2~3个数量级。这些尝试充分说明，突破传统分离膜的trade-off效应是完全可能的。
国内：探索四个方面
正常情况下，膜的经典传质模型遵循trade-off效应，如果在分离性能出现超常传质现象时，比如膜同时具备高渗透性和高选择性时，就称之为限域传质，遵循该机制的膜称为限域传质膜。制备限域传质分离膜是目前国内外膜技术研究的热点。
2015年1月，基于限域传质机制的分离膜精密构筑与高效过程项目获得国家自然科学基金委重大项目资助。徐南平带领项目组在限域传质膜的精密构筑与调变上做了四方面的探索。
一是孔道结构构筑。他们在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中掺杂无机纳米粒子制备出混合基质膜，通过精密构筑膜的亚纳米孔道结构，实现丁醇渗透性和选择性的同步提升，突破了透醇膜性能的trade-off效应。
二是孔壁性质调变。即采用亲CO2的有机胺改性氧化石墨烯膜孔壁，在增大层间距的同时增加CO2分子的扩散能力，实现H2的渗透性和H2/CO2选择性同步提升，突破透氢膜性能的trade-off效应。
三是表面官能化改性。项目组对氧化石墨烯进行表面亲水化改性，促进水分子在膜表面富集，阻碍有机分子在膜表面吸附，从而实现水通量和分离因子的同步提升，突破透水膜性能的trade-off效应。
四是分子模拟研究，即借助分子模拟找到克服trade-off效应的方法。
现状：制备与应用并进
在基础研究取得进展的同时，限域传质膜的放大制备与工程应用也在积极探索中。徐南平重点介绍了他们开发的三类限域传质分离膜，即用于溶剂脱水的分子筛膜、用于有机物回收的PDMS/陶瓷复合膜以及用于水处理的高抗污染PVDF膜。
在开发用于溶剂脱水的分子筛膜时，科研人员首先通过膜层设计，开发出第一代管式分子筛膜，后来又开发出单通道的中空纤维分子筛膜。在此基础上，他们放大制备出兼具高通量与高机械强度的四通道中空纤维分子筛膜。
分子筛膜的产业化进程也在有序推进。2011年，管式分子筛膜在江苏九天高科技股份有限公司产业化，推广工业应用成套设备130余套，涉及10余种有机溶剂脱水回用。目前，项目组正在进行新一代产品——中空纤维分子筛膜的产业化。
有机物的处理回收一直是工业废水废气处理的难点。瞄准这一行业需求，项目组设计制备出新型高通量PDMS/陶瓷复合膜。目前国外主流PDMS膜通量为300g/m2·h,分离因子6.0；而PDMS/陶瓷复合膜的通量为1300g/m2·h，分离因子8.0，性能更优越。PDMS/陶瓷复合膜已在涂布印刷业的有机溶剂回收中获得应用，实现系统废水零排放，经济和环境效益均十分显著。该膜还对医药化工等行业排放的苯系物、酮系物、烷烃类挥发性有机物具有良好的回收效果，回收率可达90%以上。
PVDF膜是目前水处理行业用量最大的一种膜，十几年前就已经实现了产业化。即使是这样的一个“老”产品，在限域传质理论的指导下，徐南平依然把它做出了“新”意。
“我们在十多年的时间里，累计投入几千万元，在PVDF膜的微结构调控上做了大量研究，最终开发出孔径小、分布均匀的高抗污PVDF膜，并实现了规模化生产。这种膜的分离性和选择性不逊于国际上任何一个公司的产品。”徐南平说。
“通过对限域传质孔道进行精密构筑与调控，我们突破了传统分离膜trade-off效应的制约。下一步，我们还要建立限域传质理论模型，以指导限域传质膜的设计制备从‘经验型’向‘定制式’的跨越。”这是徐南平对限域传质膜未来的期许。（本报记者 李晓岩）
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