高分子复合材料实现自驱动膜分离过程学术资讯

来源：材料科学前沿

最近佐治亚理工土木与环境工程学院谢兴老师研究小组开发了一种带有分子过滤功能的水凝胶与高分子材料纳滤膜复合材料，同时实现了高吸水性和选择性。在生物医药，环境检测等领域的样品浓缩，运输，和检测，以及水体营养物回收方面提供巨大应用前景。

方便，快速的自驱动水过滤

在传统水过滤系统中，一般需要一个滤膜单位和一个外在的驱动力来完成过滤过程。但是在很多情况下，当样品容量很少，并且易损，或者在采样现场条件有限的情况下，这样的过滤体系变得低效或者不可行。于是一个方便，灵活，易用的适合小容量体系的过滤系统就十分必要。为了实现这样的功能，谢兴研究组开创了一种核壳高分子复合材料。以聚丙烯酸和聚丙烯酰胺制得的水凝胶为核提供吸水的驱动力，同时在表面覆盖一层聚酰胺纤维纳滤膜来提供选择透过性。

图1为核壳高分子吸水球的示意图这样的核壳结构结合了水凝胶很强的自发吸水性和纳滤膜的选择透过性。自驱动的水过滤过程得以实现。灵活缩放的核壳结构该复合吸水小球通过收缩膨胀来实现放吸水以达到分离溶液中其他物质（例如各种离子）的目的。那么这个壳就需要足够的透过性和一定的强度。在该研究中，他们利用界面聚合来实现纳滤膜在水凝胶表面的合成。

图2为核壳结构吸水小球的制作过程和各阶段小球的形貌。E为最终产品在实验中该复合小球能快速的吸水膨胀，同时保持壳的完整性达到过滤的作用。

图3为小球吸水的过程为了证明自发水过滤的效果，该复合小球被放入不同的盐溶液中进行实验。等小球吸水饱和后，通过检测剩余溶液中盐浓度的变化来计算小球的排盐率。

在45分钟内，小球吸收了大约40倍于自己干重量的水同时达到了较高的排盐率，相当于一般的纳滤膜。并且适用于多种盐离子。至此，该复合吸水小球的高吸水性和分子选择性得到证明。这代表了一种自发的高效的分离水溶液中水和其他组分的方法，在多种应用中能充分发挥价值。该研究的最大意义在于，通过创新的核壳结构将两种高分子材料结合起来配合完成高效简单易操作的自发水过滤过程，并且这样的结构灵活可调，通过分别调节核和壳的化学组分，可控，可逆的吸水和不同级别的过滤能力（纳滤，超滤，微滤）都可能在该复合材料中得以实现来满足不同应用的需求。

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta03617j

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