先进膜材料与过程团队在《Separation and Purification Technology》期刊发表最新研究成果

近日，淮阴师范学院先进膜材料与过程团队联合培养硕士研究生邹修洋以第一作者在《Separation and Purification Technology》期刊上发表题为“Simulation study on real laminar assembly of g-C3N4 high performance freestanding membrane with bio-based materials”的论文，该研究得到了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金面上项目的支持。《Separation and Purification Technology》是工程技术领域的国际知名期刊，最新影响因子7.312，中科院1区期刊。

水资源的循环利用和节约无法解决因自然灾害和污染造成的淡水短缺问题。由于低能耗和高效率，纳滤和反渗透等膜技术已成为克服这一挑战的可靠选择。然而，纳滤和反渗透的主要驱动力是压力差（溶液扩散机制），由于需要高压（4-10 bar）阻碍其发展与应用。自支撑膜可以实现在低压下提供高渗透通量，这是因为自支撑膜的渗透通量不依赖压差作为主要驱动力。因此，传统纳滤膜的传质特性机制不再适用于自立式膜。作为新型的二维的膜材料，石墨相氮化碳(g-C3N4)具有优异的性能(例如，可大批量生产、廉价的成本、高化学稳定性、带负电的表面和光催化性能等)。在课题组之前的研究中，g-C3N4与水分子之间的超低摩擦已经通过实验和分子动力学模拟得到证明，这有利于水分子的扩散。此外，作为一种光催化材料，g-C3N4可以提高去除有机污染物和细菌杀菌的效率，从而减少膜污染。因此，基于 g-C3N4的自支撑膜拥有从水中离子筛分的潜力。

在这项研究中，本文报道了具有长期从水中筛分单价和二价离子能力的非溶胀壳聚糖处理的g-C3N4自支撑。此外，分子动力学模拟已被用于探索g-C3N4自支撑的形成机制以及盐离子和水分子的传输行为。首先g-C3N4自支撑对一价和二价盐表现出优异的选择性排斥，同时保持较高的水渗透性。在 CTS 负载量为 10.0 wt% 时，CTS/g-C3N4/HPAN 膜对 Na2SO4、MgSO4 和 CuSO4 的截留率分别为 21.3%、81.0% 和 83.6%。此时，在 1 bar 的低跨膜压力下，膜的渗透率为 8.25 L⋅m−2⋅h−1⋅bar−1。此外，壳聚糖的引入提高了 g-C3N4自支撑的稳定性和光催化性能。研究观察到 CTS/g-C3N4/HPAN膜的水通量和盐截留率在 5 个循环后大部分被保留（减少 2%）。将 CTS/g-C3N4/HPAN膜在去离子水中浸泡 1 个月后，脱盐率仅降低 1.2%。

最后，通过分子动力学（MD）模拟研究采用真空过滤将g-C3N4悬浮液制备自支撑膜的过程。在由g-C3N4纳米片形成的纳米通道中，由于超低摩擦，水分子迅速穿过独立的膜。另一方面，水合的 Na+和 Mg2+离子需要能量来部分脱水并穿透自支撑膜。MD 模拟表明，Mg2+ 离子穿过 g-C3N4纳米通道的速度低于Na+离子。本研究制备的g-C3N4的自支撑可有效实现单价和二价离子的分离，并具有高渗透性。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119598