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为解决高性能 TFC OSN 膜支撑层问题，研究人员用 EVOH 改性 PE 制备 TFC OSN 膜，性能优异，利于工业化。
有机溶液纳滤膜的探索之旅：从困境到突破
在化学工业的广阔天地里，有机溶液纳滤（Organic Solvent Nanofiltration，OSN）技术就像一位神奇的 “分子分拣师”，能够在有机溶剂体系中实现分子尺度的精准分离。它凭借着低能耗、高效率、环境友好以及温和的操作条件等诸多优势，在石油化工、精细化工、生物制药和食品加工等领域大显身手，尤其是对于那些高价值、热敏性材料的纯化，OSN 技术更是不可或缺。
不过，OSN 技术的核心 ——OSN 膜，却面临着一些挑战。其中，支撑层成为了限制高性能薄膜复合（Thin Film Composite，TFC） OSN 膜工业化大规模应用的关键因素。常见的支撑材料，像通过相转化法制备的聚砜（PSF）、聚丙烯腈（PAN）等，不仅对水传输阻力大，而且在有机溶剂中容易 “受伤”，稳定性欠佳。而纳米纤维基材虽然有高孔隙率和良好的孔连续性，但制备过程繁琐，抗压能力弱。目前常用的一些 OSN 膜支撑体，如交联的聚酰亚胺（PI）等，在提高稳定性时需要长时间交联，这不仅限制了连续化工业生产，还消耗大量有机溶剂，与绿色化学的理念背道而驰。
在这样的背景下，中国研究人员踏上了探索的征程。他们将目光投向了聚乙烯（PE）电池隔膜，这种材料具有超薄的厚度、均匀的孔隙分布以及出色的机械和化学稳定性，似乎是理想的支撑层材料。然而，PE 的疏水性却给在其表面形成均匀、无缺陷的选择性层带来了巨大挑战。于是，研究人员开展了一项旨在通过对 PE 进行亲水性改性，制备高性能 TFC OSN 膜的研究，相关成果发表在《Advanced Membranes》上。
研究方法：化腐朽为神奇的 “魔法配方”
研究人员首先对 PE 基材进行亲水化处理。他们选择了乙烯 - 乙烯醇共聚物（EVOH）作为改性剂，利用 EVOH 与 PE 结构相似、亲和力好的特点，将其溶解在异丙醇（IPA）和水的混合溶液中，加热搅拌制成改性溶液。把 PE 基材浸泡在溶液里，让 EVOH 渗透到基材内部孔隙，随后冲洗、保存，得到改性后的 PE 基材（HPE）。
接着，研究人员通过界面聚合在 HPE 表面制备聚酰胺（PA）选择性层。以哌嗪（PIP）为水相单体，均苯三甲酰氯（TMC）为有机相单体，在水 / 异链烷烃 G（Isopar G）界面进行反应。反应完成后，经过干燥处理，就得到了不同 PIP 浓度的 TFC OSN 膜，分别命名为 HPE - NF - 0.5、HPE - NF - 1.0 和 HPE - NF - 1.5。
为了深入了解膜的性能，研究人员采用了多种表征技术。如用接触角测量仪测表面静态水接触角（WCA）评估亲水性；扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察表面形貌；傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）分析膜表面的功能基团和元素组成；通过测定截留分子量（MWCO）来评估膜的孔结构等。同时，在水、乙醇（EtOH）和 N，N - 二甲基甲酰胺（DMF）等体系中测试膜的分离性能，还通过静态浸泡和动态过滤实验评估膜的稳定性。
研究结果：令人惊喜的性能大揭秘
- 表面形貌：PE 基材原本是疏水性的，WCA 超过 90°，直接进行界面聚合会导致 PA 选择性层不完整且易有缺陷。用 EVOH 改性后，随着 EVOH 浓度增加和改性时间延长，HPE 基材的 WCA 逐渐降低。综合考虑经济效率和工艺灵活性，后续实验选择 0.3 wt% 的 EVOH 浓度和 60 分钟的改性时间。改性后的 HPE 基材表面纤维变厚，粗糙度降低。在界面聚合过程中，随着 PIP 浓度增加，PA 选择性层的表面形貌从较小的结节状转变为较大的结节状，最终变为蠕虫状，同时表面粗糙度降低。
- 化学性质：FTIR 分析表明，EVOH 成功改性到 PE 基材表面，HPE 出现了代表 EVOH 结构中羟基的宽峰。HPE - NF - 0.5、HPE - NF - 1.0 和 HPE - NF - 1.5 膜则出现了代表酰胺键的特征峰，证明 PIP 和 TMC 发生了界面聚合反应。XPS 分析进一步证实了这一点，还发现随着 PIP 浓度增加，PA 选择性层的交联程度先增加后降低，PIP 浓度为 1.5 wt% 时，可能因 PIP 和 TMC 浓度不匹配导致 PA 选择性层出现微缺陷。
- 分离性能：在水溶液中，三种膜对盐的脱盐率顺序为 R (Na?SO?)>R (MgSO?)>R (MgCl?)>R (NaCl)，这是 Donnan 效应和尺寸筛分共同作用的结果。PIP 浓度从 0.5 wt% 增加到 1.0 wt% 时，水通量变化不大，继续增加到 1.5 wt% 时，水通量显著提高。同时，膜的脱盐率先提高后降低。在乙醇溶液中，膜对染料的截留率顺序为 HPE - NF - 1.0>HPE - NF - 0.5>HPE - NF - 1.5，截留率不仅与染料分子量有关，还受染料电荷性质和分子构型影响。在不同有机溶剂中，膜的通量顺序为甲醇 > 乙醇 > 丙酮 > DMF > 乙酸乙酯 > 甲苯 > 正己烷 > 异丙醇，表明膜对小分子、低粘度、强极性的溶剂具有更高的渗透性。与现有 PE 支撑的 OSN 膜相比，该研究制备的 HPE - NF - 1.0 膜具有更高的通量和出色的染料截留能力。
- 稳定性评估：通过静态浸泡和动态过滤实验评估膜的稳定性。HPE - NF - 1.0 膜在甲醇、乙醇、DMF 和甲苯等溶剂中浸泡 120 天后，渗透性能稳定；在 IPA 体系中浸泡 5 天，膜的性能也没有受到影响。在乙醇和 DMF 体系中进行 10 天的动态过滤实验，膜对甲基橙的截留率波动很小，在乙醇中始终超过 99%，在 DMF 中稳定在 99% 左右，表明该膜对醇类和强极性非质子溶剂具有良好的耐受性。
研究结论与展望：开启 OSN 膜工业化新篇章
这项研究成功制备了一种高性能的 TFC OSN 膜，利用商业化的 PE 电池隔膜作为多孔支撑层，通过 EVOH 对 PE 进行亲水性改性，成功解决了在 PE 表面形成无缺陷 PA 选择性层的难题。性能优化后的 HPE - NF - 1.0 膜表现出优异的性能，对多种染料有高截留率，在甲醇中的溶剂通量可达 52.5 LMH，并且对极性溶剂的通量明显高于非极性溶剂，同时具备良好的稳定性，能抵抗醇类和强极性溶剂。
由于 PE 电池隔膜具有高孔隙率、高渗透性、成本效益高和固有耐溶剂性等优点，且制备过程无需复杂的交联步骤，这项研究为 TFC OSN 膜的工业化大规模生产提供了一种潜在的解决方案。不过，研究也存在一些局限性，例如虽然膜性能优异，但在实际工业应用中的长期稳定性和大规模生产工艺的优化等方面，还需要进一步研究。未来，研究人员有望在此基础上继续探索，推动 OSN 膜技术在工业领域的广泛应用，让 OSN 技术这颗化学工业的明珠绽放更耀眼的光芒。
