雖然地球大部分表面都被水覆蓋，但適合人類飲用的淡水資源并不豐富，分布也不均勻，當今世界上有成千上萬人的日常用水需求還要依靠海水淡化來滿足。海水淡化中最常見的技術是反滲透，而反滲透技術的核心是反滲透膜，這種可以選擇性除去鹽和其他分子的復合膜在海水淡化的實際應用已經超過三十年。反滲透膜一般包括聚酯支撐層、基于相轉化鑄膜技術構筑的多孔聚砜中間層、高度交聯的超薄聚酰胺膜表層。表層的聚酰胺膜足夠致密以分離鹽離子，同時也足夠薄以保持水的高透過率，從而實現高效的海水淡化。表層聚酰胺膜的制備多基于界面聚合法在多孔聚砜膜表面原位構筑，但是該方法無法控制聚酰胺膜產品的厚度和表面粗糙度。厚度不可控，膜性能的變化也比較大；表面粗糙度高，抗污能力就弱?？茖W家們一直在尋找更好的方法制備更薄更光滑的聚酰胺膜，從而提高反滲透海水淡化的效率并降低成本和能耗。

近日，美國康涅狄格大學的Jeffrey R. McCutcheon教授等研究者拋棄了傳統的界面聚合法，提出了一種全新的3D打印技術，制備出更薄更光滑的聚酰胺膜。他們采用電噴霧技術將反應單體直接沉積到基底上進行反應，制備聚酰胺超薄膜。電噴霧形成的液滴較小且單體濃度較低，這使得3D打印的聚酰胺膜厚度最低可達15 nm，并能以4 nm的增量控制膜厚度，表面粗糙度更可低至2 nm。而相比之下，傳統膜的厚度范圍通常在100-200 nm，而表面粗糙度一般超過80 nm。與此同時，3D打印聚酰胺膜的滲透選擇性與商業標準膜相當，海水脫鹽的綜合性能明顯提升。相關論文發表于Science 雜志。研究人員分別配制了一系列不同濃度的單體間二苯胺（MPD）水溶液、均苯三甲酰氯（TMC）己烷溶液，同時在己烷溶液中添加少量親脂性離子液體以提高有機溶液相的導電性。在電噴霧過程中，庫倫斥力作用使得在強電場作用下分別噴出的單體液滴直徑小于1 μm，保證了實驗中不同基底表面均勻超薄聚酰胺膜的制備。通過以鋁箔為基底能夠簡便制備自支撐聚酰胺超薄膜，進而轉移至不同的支撐基底。測試表明該膜交聯密度約為83%。同時，基于單體溶液濃度和反復沉積次數的調控，能夠實現不同厚度超薄聚酰胺膜的構筑，單次沉積厚度最低可達4 nm，而且膜厚度與沉積次數呈線性相關。單體濃度越高，單次沉積的厚度也就越大。

與工業化海水淡化聚酰胺反滲透薄膜（Dow SW30XLE）比較，SEM測試表明該研究中不同單體濃度、沉積次數等實驗參數條件下3D打印制備的聚酰胺超薄膜都具有更為光滑的表面，低單體濃度條件下其膜表面粗糙度低至2 nm。同時，這種超薄膜表面粗糙度隨單體濃度和沉積次數的增加呈現升高趨勢。在海水淡化應用測試中，與商業化反滲透膜（Dow SW30XLE）相比，這種3D打印制備的聚酰胺超薄膜體系具有更高的NaCl截留率和純水滲透速率。同時研究表明該超薄聚酰胺膜體系的脫鹽綜合性能與膜厚度（反應單體濃度）具有強相關性，當MPD：TMC濃度為0.125 : 0.075使，NaCl截留率達95%，水滲透速率達3.68 LMH bar-1。

Jeffrey R. McCutcheon教授等研究者基于反應單體電噴霧的3D打印技術替代傳統的界面聚合，制備可用于海水淡化的高性能超薄聚酰胺膜。他們成功實現了聚酰胺膜厚度及表面粗糙度的納米級別精細調控，顯著提升了復合膜組件的綜合海水淡化效率。同時，該超薄膜的構筑策略也為新能源、環境治理、生物醫藥等其他領域功能膜材料的制備提供了借鑒和啟發。

來源：x-mol網