浙大張林Science：有了這張超強納濾膜，海水淡化還遠嗎？

第一作者：Zhe Tan

通訊作者：張林

第一單位：浙江大學

研究亮點

1.發展了一種製備具有納米圖靈結構納濾膜的界面聚合工藝，脫鹽凈水性能超過傳統納濾膜3倍以上。

2.發現在圖靈結構中存在高透過性活性位點，極大增強了水的透過性。

1952年，圖靈發表《形態發生的化學基礎》(The Chemical Basis of Morphogenesis)，從理論上闡述了兩個化學物質在特定反應條件下，怎樣擴散和反應才能形成時空穩態結構。直到論文發表40年以後，才有人從實驗上證實他的理論。自從論文問世以來，圖靈的理論就開始對基礎研究顯現出獨特的指導，設計和發展圖靈結構對於化學和生物學的實際應用具有重要作用。

圖靈結構往往出現在熱力學不平衡的反應-擴散過程中。當擴散速率不平衡時，快速運動的抑製劑控制緩慢運動的活化劑的運動，就會產生圖靈結構，圖靈結構形成的恆穩態系統對微小的非均相擾動非常靈敏。

為了得到圖靈結構，常用的方法有2種：

1）引入PVA等大分子，可以和活化劑可逆結合。

2）採用均勻分散的非均相多相反應體系，使活化劑停留在低速運動相。

有鑒於此，浙江大學張林教授課題組結合理論和實驗，報道了一種具有納米圖靈結構的聚醯胺納濾膜，具有優異的脫鹽凈水性能。

圖1.界面聚合形成納米圖靈結構

研究人員採用了一種界面聚合策略來生長聚醯胺薄膜，生長過程中，聚合反應發生在油-水界面。通過控制反應條件來控制薄膜的形貌，確保形成的薄膜具有氣泡和管狀結構。

研究人員在油相中加入抑製劑TMC，在水相中加入活化劑聚乙烯醇。PVA以氫鍵和活化劑結合，增強溶液粘度，減緩單體的擴散速率。相比傳統納濾膜，該方法產生的納米圖靈結構納濾膜，具有更多的凸起，更多的空隙和更多的島狀結構。

圖2.具有圖靈結構的薄膜

具有納米圖靈結構的聚醯胺薄膜由於其獨特的結構特徵，具有更好的凈水脫鹽性能，不論是水的透過性還是水-鹽分離性能，都超過了傳統薄納濾。

除此之外，研究人員還發現，在圖靈結構中存在能讓水高速透過的活性位點，極大地增強了水的透過性。

圖3.薄膜中水透過性位點的空間內分布

總之，該研究發展了一種納米圖靈結構的納濾膜，在海水淡化和工業廢水脫鹽等領域具有重要的實用前景。

張林，浙江大學教授。兼任工業生物催化國家地方聯合工程實驗室副主任、膜與水處理技術教育部工程研究中心副主任。

近年來以空氣、水資源和能源方向的重大需求作為研究背景，致力於膜科學與技術在上述領域中應用的關鍵科學問題開展研究工作，通過設計納米複合功能材料改進與提高膜性能，構建膜生物反應器來強化過程分離和傳遞效率為主要研究內容，取得了創新性的結果。獲教育部自然科學二等獎1項，浙江省科技進步一等獎1項，中國石化聯合會「青年科技突出貢獻獎」，國家知識產權局優秀專利獎1項、海洋科學技術二等獎1項。入選了浙江省「151」人才培養計劃第二層次，獲得浙江省傑出青年基金項目資助；兼任SCI期刊"Environmental Technology"、核心期刊《水處理技術》、《膜科學與技術》編委，浙江省化工學會常務理事、浙江省膜學會副秘書長、浙江省膜工業協會副秘書長；作為項目負責人承擔並完成了包括國家自然科學基金、「863」計劃目標導向項目等多項國家級課題。多篇研究論文發表在AIChE J、Chem. Eng. Sci.、I&ECR、J. of Membrane Sci.、Polymer等化工類TOP期刊上，共發表SCI收錄論文110餘篇，累計他引2000餘次，個人H-index為26。四項研究成果成功地實現了知識產權的轉讓，2011年受邀參加了在泰國舉行的第14屆亞洲化學會議，在Membranes for Molecular Separation分會上做了有關高通量納米複合膜的邀請報告。形成了以納米複合材料為膜，膜生物反應器為過程在水處理、生物質能源、環境凈化等領域中的應用基礎研究體系。

ZheTan, Lin Zhang et al. Polyamide membranes with nanoscale Turing structures forwater purification. Science 2018, 360, 518-521.

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