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生態危機和淡水資源匱乏迫使人們亟需對工業排放高鹽廢水進行脫鹽再利用以及淡化高鹽海水以獲取可飲用水資源,而基于超薄膜的膜分離技術使這一切成為可能。超薄膜致密的多孔結構和存在的電荷可通過尺寸篩分和道南排斥效應有效隔絕離子,加之膜厚所賦予的超短水傳輸路徑,因此可在低能耗條件下實現高效的水—離子選擇性分離。

雙液相界面聚合是用以制備超薄離子分離膜的有效方法,有限的兩相界面反應區域和可控的兩相單體擴散是形成表觀無缺陷超薄膜的基礎。經典的聚酰胺(PA)超薄膜即通過胺單體和酰氯單體在水—油界面處的Schotten-Baumann縮聚反應制備,已被廣泛使用于納濾、反滲透的眾多應用場景中。然而,自PA膜體系提出后的數十年中,研究者們更多的是致力于PA膜分離機制的理論研究、分離性能的提升和制備工藝的技術優化,其他可在兩相界面處聚合成膜的反應形式和分子結構卻很少得到關注,以至于PA體系之外的離子分離超薄膜的種類非常有限。

因此,蘇州大學靳健教授、中科院蘇州納米所朱玉長副研究員近期基于“點擊”化學模塊化組合化學和反應快速高效的特點,提出了一種基于硫醇—烯烴加成反應的“點擊”界面聚合用以制備新型聚硫醚離子分離超薄膜。在水—油兩相界面處,含雙巰基的二硫蘇糖醇單體可分別與含烯丙基、炔基、丙烯酰胺或丙烯酸酯基團的多官能化單體通過硫醇-烯烴加成型“點擊”化學發生界面聚合反應,形成以硫醚鍵鍵接的聚硫醚聚合物。聚合反應可根據單體的雙鍵類型選擇紫外光催化的自由基加成機理或堿催化的邁克爾加成機理進行。單體在兩相中的分布僅依據單體的溶解性,因為單體自身和反應均對水不敏感。特別地,二硫蘇糖醇(DTT)與三聚氰酸三烯丙酯(TAC)或異氰脲酸三烯丙酯(TAIC)可在界面處形成半透明、均勻無缺陷且力學強度好的聚合物薄膜,因此可通過在聚醚砜超濾膜襯底上的原位界面聚合制備聚硫醚薄膜復合(TFC)膜用于離子分離。TAC-DTTTFC膜分離層的有效平均孔徑達到了納濾的分離精度,且膜表面在酸性和堿性條件下均維持荷負電性,因此對1000ppm的Na2SO4水溶液可實現94%的鹽截留率。膜孔徑和分離性能還可以通過兩相單體的配比進行調控,因此Na2SO4的截留率可達到95%以上。TAIC-DTTTFC膜在具備以上特性的同時,還體現出優異的耐酸特性,即可耐受20w/v%的硫酸水溶液浸泡15天,依然維持分離層化學、結構和離子分離性能的穩定性。

因此,采用“點擊”界面聚合制備離子分離膜的嘗試將有助于激勵新型離子分離超薄膜材料的開發以及結構種類多樣性的擴展。