Научная группа Люй Синлиня из Китайского университета науки и технологий разработала самоорганизующуюся нанофильтрационную мембрану с регулированием жидкими кристаллами, которая одновременно повышает проницаемость, селективность и устойчивость к загрязнению.
2025-11-02
Недавно в журнале «Nature Communications» была опубликована исследовательская работа группы Люй Синлиня из Китайского университета науки и технологий, в которой предложена инновационная стратегия «регулирования межфазной полимеризации с помощью самоорганизующегося лиотропного жидкокристаллического (LLC) промежуточного слоя». Это позволило успешно создать высокопроизводительную нанофильтрационную мембрану, решающую две ключевые проблемы традиционных тонкопленочных композитных (TFC) мембран: компромисс между проницаемостью и селективностью, а также склонность к загрязнению. Эта технология направлена на решение практических трудностей применения нанофильтрационных мембран в таких областях, как умягчение воды и экстракция лития, обеспечивая всестороннее улучшение характеристик за счет структурного дизайна.
Сначала команда синтезировала полимеризуемые амфифильные молекулы поверхностно-активного вещества (МА11-6-11МА), которые самоорганизуются в воде, формируя гексагональную столбчатую жидкокристаллическую структуру. Затем эта структура была нанесена в качестве промежуточного слоя на полисульфонную основу. Этот промежуточный слой позволил отрегулировать средний размер пор основы, сделав их меньше и более однородными, а также ослабить электростатическое притяжение между мономером пиперазина (водная фаза) и тримезоилхлоридом (органическая фаза) за счет эффекта нанопространственного ограничения, замедлив скорость вертикальной диффузии мономеров. Такое регулирование привело к образованию уникального Y-образного трубчатого активного слоя из полиамида (шириной около 1 мкм, длиной около 10 мкм, с внутренними полостями) в процессе межфазной полимеризации, что значительно увеличило эффективную площадь фильтрации. Испытания характеристик показали, что оптимальная мембрана TFN₂₀% LLC имеет водопроницаемость 22,2 л·м⁻²·ч⁻¹·бар⁻¹, что на 80% выше, чем у традиционных мембран, при сохранении уровня задержания Na₂SO₄ на уровне 98,2%. В экспериментах на устойчивость к загрязнению, благодаря уменьшению карбоксильных групп на поверхности (ослабление кальциевых ионных мостиков) и поверхностной турбулентности, вызванной трубчатой структурой, скорость снижения проницаемости уменьшилась, а уровень восстановления превысил 90%. Кроме того, эта мембрана показала значительно более высокую степень задержания двухвалентных катионов (Ca²⁺, Mg²⁺) по сравнению с одновалентными, при этом селективность Na⁺/Ca²⁺ и Li⁺/Mg²⁺ повысилась более чем в 5 и 10 раз соответственно. На диаграмме компромисса «проницаемость-селективность» мембрана превзошла большинство ранее описанных нанофильтрационных мембран, предлагая новое решение в области высокопроизводительных мембранных материалов для водоочистки и рекуперации ресурсов.
