超支化聚乙烯亚胺功能化二氧化硅/聚砜纳米复合水净化膜

随着人口的快速增长，以及城市化和工业化程度的提高，清洁水的短缺已成为21世纪全球面临的巨大挑战之一。此外，未经处理的废水排放到河流和海洋中，污染了很大一部分清洁的地表水和地下水资源，导致环境灾难。废水处理是未来几十年改善生活质量和可持续发展人类社会的研究重点。废水中有害污染物的去除通常采用几种不同的处理方法，包括膜分离、化学沉淀法、污染物吸附法、离子交换法、电化学消毒法、臭氧氧化法、氯化法等。其中，膜分离以其低成本、高能效的特点在供水行业得到了广泛可靠的应用。膜分离是通过将废水通过多孔膜的孔隙来实现的，其中溶质的大小差异以及溶质与膜孔之间的物理化学相互作用是分离的驱动力。该工艺通常不需要向废水中添加任何二次化学品，也不需要发生任何相变。

无机聚合物纳米复合膜的优点包括，由于膜表面亲水性增强，同时提高了染料的去污率和水通量，赋予膜光催化和抗菌性能。此外，无机聚合物纳米复合膜的形态特征，如孔径、孔隙率、表面粗糙度等，可能会转化为膜效率的提高，以及膜的热稳定性或其他机械性能的提高。不同的金属氧化物纳米颗粒，如TiO2、SiO2、Fe3O4和Al2O3，已被用于制造纳米颗粒修饰的聚合物膜。在这些纳米填料中，二氧化硅(SiO2)是最重要的一种，例如当SiO2纳米颗粒嵌入聚合物膜时，膜表面的水接触角降低，亲水性增强。尽管纳米复合膜具有上述优点，但它们通常存在无机纳米填料与聚合物基体之间相容性差的问题。因此，普遍存在纳米填料团聚、纳米颗粒-聚合物相分离等问题，导致膜亲水性改变，膜性能变差，膜稳定性降低。

聚乙烯亚胺(PEI)是一种水溶性聚合物，可用于涂料溶液中制备亲水性底物或作为胺单体用于界面聚合过程。PEI在SiO2表面接枝可以增强纳米粒子在聚合物基体内的相容性，抑制团聚，SiO2纳米粒子可以有效改善PSF膜的性能。在本研究中，首先制备SiO2纳米颗粒，然后与超支化聚乙烯亚胺(PEI)接枝，得到改性PEI-SiO2纳米颗粒。然后将这些纳米颗粒加入到PSF膜中，通过NIPS法制备PEI-SiO2/PSF纳米复合膜。纳米颗粒表面改性可以改善聚醚砜膜中纳米颗粒-聚合物界面的相互作用，防止纳米颗粒团聚。此外超支化的PEI链可以在SiO2纳米颗粒上提供胺基，从而增加PSF膜的表面亲水性。采用TEM、FTIR、TGA和XPS等分析手段对亲水性PEI-SiO2纳米颗粒进行了表征。研究了PEI-SiO2/ PSF膜的形貌、水接触角、平均孔径、总孔隙率、拉伸强度、水通量、防污性能和染料分离性能。PEI-SiO2纳米颗粒均匀地分散在PSF基膜中，当纳米颗粒添加量为2 wt%时，水接触角从65.4°下降到49.7°。PEI-SiO2/PSF膜的抗污性能随纳米颗粒浓度的增加而降低，表明PEI-SiO2纳米颗粒具有优异的亲水性。加入2 wt% PEI-SiO2后，纳米复合膜的渗透率由38.5提高到70 L m-2 h-1 bar-1。最后，PEI-SiO2/PSF膜的通量回收率(95.8%)、活性绿19染料去除率(99.6%)和拉伸强度均优于纯PSF膜和SiO2/PSF膜。本研究结果表明，PEI-SiO2纳米颗粒在改善PSF水净化膜的分离和防污性能方面具有广阔的应用前景。

文献来源：Vahid Vatanpour*, Maryam Jouyandeh, Hossein Akhi, Seyed Soroush Mousavi Khadem, Mohammad Reza Ganjali**, Hiresh Moradi, Somayeh Mirsadeghi, Alireza Badiei, Amin Esmaeili, Navid Rabiee, Sajjad Habibzadeh, Ismail Koyuncu, Sasan Nouranian, Krzysztof Formela, Mohammad Reza Saeb. Chemosphere 2022, 290, 133363.