聚电解质层层自组装纳滤膜*

层层自组装技术能够方便地对膜的微观结构和组成进行调控,已在制备复合型纳滤膜方面取得了迅速的发展。本文综述了近年来用于聚电解质层层自组装纳滤膜的制备方法,种类以及影响因素。介绍了静态层层交替沉积、压力驱动自组装和电场强化自组装等三种制备方法;归纳了均聚型、共聚型和有机/无机杂化型等三类用于层层自组装纳滤膜的聚电解质的特点;讨论了聚电解质的荷电性、电荷密度和电离程度等因素对其自组装膜分离性能的影响。总结了聚电解质自组装纳滤膜在水处理和有机溶剂中物质的分离等方面的应用。同时,对提高聚电解质自组装纳滤膜的组装效率,分离性能和发展方向提出了设想和建议。     

静电层层自组装制备聚苯乙烯微球(核)/MCM-41纳米粒子(壳)阶层结构复合微粒

采用聚苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)两种聚电解质, 通过静电层层自组装成功地将MCM-41介孔二氧化硅纳米粒子包覆到聚苯乙烯(PS)微球表面. 实验结果表明, 当以尺寸为1.4 μm的PS微球为核时, 包覆了两个聚电解质双层(PDDA/PSS)2的PS(PDDA/PSS)2(PDDA/MCM-41)复合结构微粒与包覆了一个聚电解质双层(PDDA/PSS)的PS(PDDA/PSS)(PDDA/MCM-41)复合结构微粒相比, 复合结构微粒之间的交联程度降低, 但是MCM-41纳米粒子在聚苯乙烯微球表面的包覆都比较松散, 且产物中存在大量杂质. 而当以尺寸为5 μm的聚苯乙烯微球为核时, MCM-41纳米粒子紧密地包覆在聚苯乙烯微球表面, 复合结构微粒之间只有少量桥连物, 且产物中杂质很少.     

原位凝聚法制备聚电解质微胶囊——模板中掺杂聚电解质量对微胶囊结构与性能的影响

通过在CaCO3制备过程中加入不同浓度聚苯乙烯磺酸钠(PSS)的方法来控制掺杂进CaCO3粒子中的PSS含量,得到了PSS掺杂量为4%～11%,尺寸均匀的CaCO3球形微粒.在微粒表面仅吸附一层聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)后,用乙二胺四乙酸二钠(EDTA)使碳酸钙溶解;释放出的PSS与PAH原位凝聚制备得到了分散良好且完整的聚电解质复合物微胶囊.在所研究的范围内,模板微粒中PSS的含量对微胶囊的形态结构和性能没有明显影响.与传统的层层组装微胶囊相比,聚电解质复合物微胶囊有较好的热稳定性,但在高盐浓度下尺寸收缩程度较大.由于和层层组装微胶囊相比缺乏结合紧密的有序结构,原位凝聚法制备的微胶囊囊壁的截留分子量较大.     

静电组装金纳米粒子制备局域表面等离子体共振传感膜

采用聚电解质自组装技术制备局域表面等离子体共振(LSPR)传感膜的方法, 在玻璃基片上依次沉积聚电解质PDDA, PSS和PVTC, 并通过静电吸附构建胶体金纳米粒子自组装膜形成LSPR传感膜. 利用扫描电镜对LSPR传感膜表面形貌以及膜中金纳米粒子的粒径进行了表征, 同时通过紫外-可见消光光谱对其灵敏度和渗透深度等重要参数进行检测. 研究结果表明, 所制备的LSPR传感膜粒子分布均匀、单分散性好、稳定性高、重现性好; 消光峰位对样品溶液折射率的检测灵敏度为71 nm/RIU, 相应的峰强检测灵敏度为0.21 AU/RIU, 对表面吸附层的渗透深度约为16 nm.     

聚电解质PDDA/PSS层层自组装膜的渗透汽化性能

采用聚电解质层层自组装(LbL)技术, 在不同盐浓度下制备了聚(二烯丙基二甲基氯化铵)/聚苯乙烯磺酸钠(PDDA/PSS) 多层自组装膜, 并用于渗透汽化性能的研究. 重点考察了组装溶液中NaCl的浓度、组装层数及操作温度对自组装膜的异丙醇脱水性能的影响. 同时, 用扫描电镜观测了不同条件下制备膜的表面形貌. 结果表明, 在高NaCl含量的聚电解质溶液中只需组装几个双层的LbL膜, 即能获得较高的分离因子和较大的通量, 并解释了该LbL膜呈现反“trade-off”现象的原因.     

纳滤膜对电解质溶液分离特性的理论研究(I): 单一电解质溶液

电解质溶液在纳滤膜中的截留率对于膜法海水淡化和重金属离子的脱除非常重要. 本文假定膜具有狭缝状孔, 采用扩展Nernst-Planck方程、Donnan平衡模型和Gouy-Chapman理论来描述电解质溶液中离子在膜孔内的传递现象. 使用纯水透过系数、膜孔径及膜表面电势来表征纳滤膜的分离特征, 这三个参数可通过Levenberg-Marquardt方法由实验数据关联得到. 本文使用该模型计算了两种商用纳滤膜(NF45和SU200)对1-1型(NaCl, KCl, LiCl), 2-1型(K₂SO₄)和2-2型(MgSO₄)单一电解质溶液的截留率, 并与实验数据进行了比较, 两者吻合较好. 计算结果表明电解质溶液中离子在纳滤膜孔内传递的主要机理是离子的扩散和电迁移, 纳滤膜对电解质溶液中离子的分离效果主要由空间位阻和静电效应决定. 该模型在低浓度时对电解质溶液通过纳滤膜的截留率计算结果较准确, 但对高浓度电解质溶液则偏差较大.     

纳滤膜对电解质溶液分离特性的理论研究(II): 混合电解质溶液

假定纳滤膜具有狭缝状孔, 使用纯水透过系数、膜孔径及膜表面电势来表征纳滤膜的分离特征, 用流体力学半径和无限稀释扩散系数表征了离子特性. 采用扩展Nernst-Planck方程、Donnan平衡模型和Poisson-Boltzmann理论描述了混合电解质溶液中离子在膜孔内的传递现象, 计算了三种商用纳滤膜(ESNA1-LF, ESNA1和LES90)对同阴离子、同阳离子和含四种离子的混合电解质体系中离子的截留率, 并与实验数据进行了比较. 计算结果表明, 电解质溶液中离子在纳滤膜孔内传递的主要机理是离子的扩散和电迁移, 纳滤膜对混合电解质溶液中离子的分离效果主要由空间位阻和静电效应决定. 该模型在低浓度时对含一价离子的混合电解质溶液通过纳滤膜的截留率计算结果比较准确, 但对高浓度或含高价离子的混合电解质溶液则偏差较大.     

胶束增强型聚电解质微胶囊的制备

采用杂化碳酸钙微球作为模板, 利用LbL技术, 选择聚苯乙烯磺酸钠(PSS), 烯丙基胺的盐酸盐(PAH)和二烯丙基二甲基胺盐酸盐(PADA)聚电解质, 分别组装了PAH/PSS(弱/强)聚电解质胶囊和PADA/PSS(强/强)聚电解质微胶囊. 除去模板后得到了球形良好、分散均匀的聚电解质微胶囊. 研究结果表明, 利用杂化碳酸钙微球作为聚电解质微胶囊的模板, 得到的微胶囊的囊壁厚而致密, 同时, 由于组装采用的聚电解质的种类不同, 囊壁的微观形貌有较大差异.     

Ag/WO3纳米复合膜的制备及其电致变色性质和器件的研究

通过真空镀膜方法制备的纳米Ag薄膜均匀致密, 表面光滑. 然后通过电化学方法在Ag纳米薄膜上沉积一层三氧化钨(WO3), 制备纳米Ag/WO3复合膜. 并在此基础上构筑五层式玻璃/ITO/纳米Ag-WO3复合膜/固态电解质/聚(3-甲基噻吩)/ITO/玻璃电致变色器件. 实验结果表明, 与传统的WO3膜相比, 纳米Ag/WO3复合膜具有更好的电化学活性、更高的对比度、更短的响应时间, 以及更好的稳定性. 由该复合膜组装的电致变色器件工艺简单, 电致变色性能良好.     

动电法研究磺化聚醚砜纳滤膜界面电现象

采用动电法对表面具有功能基团解离的磺化聚醚砜纳滤膜(NTR-7450)界面电现象进行探索。其中,在Zeta电位测试过程中引入相关措施,例如采用电化学工作站测定体系总电导(膜体电导、膜表面电导和电解质溶液电导)和变化流道高度等,以便获得更为真实的Zeta电位,进而根据Gouy-Chapman双电层模型系统地考察了离子强度、阴离子种类(KCl,K2SO4和K3PO4)对膜表面荷电性能的影响。实验结果表明,在较低浓度(0.1～0.5mmol/L)电解质溶液中,磺酸基的解离是NTR-7450纳滤膜荷电的主要原因;而在较高浓度下(1.0～10mmol/L),NTR-7450纳滤膜荷电则是由特性吸附引起,并且膜体积电荷密度与电解质溶液浓度之间符合Freundlich吸附等温式:在KCl,K2SO4和K3PO4溶液中分别为:ln|X|(mmol/L)=2.3337+0.772lnC(mmol/L),ln|X|(mmol/L)=3.584+1.119lnC(mmol/L)和ln|X|(mmol/L)=2.988+1.067lnC(mmol/L)。