Advanced Materials Interfaces:纳米孔道水通量的精确测定

膜分离技术具有良好的选择性和环境适应性,在水处理中的应用越来越广泛。对于膜法水处理,水通量是膜过滤性能的一个关键参数。在纳米尺度,界面效应对孔道水通量的影响显著,因此获得纳米孔道水通量数据对于纳米受限流体研究和膜应用具有重要的意义。

核孔膜具有严格定义的圆柱状孔道,其孔道平行排列,孔径均一可控,孔面密度可调,是纳米受限流体行为研究的一个理想模型系统。然而,对于孔径小于 200 nm的核孔膜,不同文献报道的水通量存在显著差异。根据Hagen-Poiseuille方程,压力驱动下水通量与孔径的四次方成正比,因此通道直径的精确测定是确定水通量的关键。然而,在利用扫描电子显微镜(SEM)测量孔径时,一般需要在膜表面覆盖10-30 nm厚度的导电层,导电层的引入会不可避免地造成孔径测量存在误差。

最近,针对孔径测量误差问题,中国科学院近代物理研究所材料研究中心的研究人员提出利用孔道形貌复制的方法确定孔径,并基于此得到了孔径200 nm以下核孔膜水通量的精确数据。研究人员利用磁控溅射在聚合物表面溅射一层金膜,部分溅射产物进入孔道形成金纳米管,可以很好地复制孔道的形貌,图(a)直观地展示了带有纳米管的金膜与核孔膜的分离过程,由于纳米管的外径与孔径完全相同,利用SEM测量金纳米管的外径,即可得到纳米孔道的真实孔径。在此基础上,研究人员精确测量了核孔膜的水通量。与之前报道的水通量数据相比,其精度显著提高。如图(b)所示,当孔径在141.6 nm及以上时,核孔膜的水通量数据与Hagen-Poiseuille方程理论值符合良好,说明该尺度下界面效应对水通量的影响有限。然而,当孔径在100 nm以下时,水通量低于理论值,说明在纳米尺度界面效应(如孔壁亲水性)的影响较大。

该工作提出了一个精确测量孔径的新方法,基于此方法获得了超滤核孔膜水通量的精确数据。研究人员期待这项工作可以澄清超滤膜在水通量方面存在的争议,为深入研究纳米受限流体的行为提供可靠的基础数据,并为超滤膜在水处理等方面的应用提供数据支撑。

相关工作以“Precisely Determined Water Permeabilities of Sub-100 nm Nanochannels”为题,发表在Advanced Materials Interfaces(DOI: 10.1002/admi.202000307)上。论文第一作者为硕士生徐芳芳和刘志伟,通讯作者为段敬来研究员和莫丹研究员。该工作得到了中国科学院前沿科学重点研究项目、国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。