纳滤膜能够有效截留多价离子和分子量在150 Da以上的小分子有机物,被应用于海水和苦咸水脱盐、废水处理、食品加工、精细化工等方面。目前,商品化纳滤膜以薄膜复合膜结构形式为主,由聚酰胺分离层和超滤支撑衬底组成。分离层对纳滤膜的分离性能起决定性作用,设计和优化分离层的表观形貌结构及内部分子网络结构是制备高通量、高选择性纳滤膜的关键。增加有效过滤面积、降低分离层厚度能够有效增加过滤通量;均一分布的孔径结构能够赋予纳滤膜更高的选择性。这些理想分离层结构的构建依赖于纳米级别和分子级别的调控,在由界面聚合法制备分离层的过程中,主要涉及到两相界面位置、分子扩散行为以及聚合反应程度的控制等问题,在技术上具有一定挑战性。本论文利用可牺牲模板法,可控地构建了分离层的褶皱结构,增加了纳滤膜的有效过滤面积。利用限域界面聚合法,得到了超薄荷正电性聚酰胺分离层。采用具有规整结构的聚合物单体,同时结合界面聚合过程中对单体扩散行为的规范作用,实现了具有超窄孔径分布的聚酰胺分离层制备。具体研究工作包括以下三部分:(1)具有褶皱结构的薄膜复合聚酰胺纳滤膜的设计和构建。传统薄膜复合纳滤膜受限于有限的膜面积以及分离层与衬底之间较强的结合作用,其分离层的有效过滤面积实际上较低。本文通过构造聚酰胺分离层的褶皱结构,同时减少分离层与衬底的部分结合区域,从而增加了单位膜面积的有效过滤面积,提高了纳滤膜通量。该褶皱结构的构建利用了纳米粒子牺牲模板法,在界面聚合过程中,聚醜胺分离层沿着负载于衬底上的纳米粒子的几何轮廓形成。通过后处理将这些纳米粒子移除,从而在分离层和衬底之间留下空腔,生成大量的分离层褶皱结构。这种褶皱结构使得纳滤膜在原来超薄分离层的基础上实现50%的通量提升,过滤水通量高达53 Lm-2h-1 bar-1,同时维持了高截盐性能,对硫酸钠的截留率在95%以上。(2)超薄荷正电性薄膜复合聚酰胺纳滤膜的设计和构建。荷正电性纳滤膜在水质软化、重金属去除等领域具有潜在应用价值,在膜结构中主要依靠聚乙烯亚胺(PEI)分子中易质子化的氨基来提供正电荷位点。由于在界面聚合过程中,大分子量的PEI扩散慢,难以迅速形成超薄致密的聚酰胺层,所以高盐截留率和高通量难以兼得。针对这一问题,本文利用限域空间的界面聚合方法,即通过限制反应单体的扩散对反应区域进行空间限制,使得聚合反应发生在超薄的碳纳米管纤维膜的网络之中,形成超薄的荷正电性聚酰胺分离层。由于PEI和碳纳米管表面包裹的聚多巴胺之间的相互作用以及PEI分子间缠结作用,碳纳米管纤维网络能够起到限制PEI分子扩散的作用;同时,碳纳米管纤维膜的网络提供了骨架结构,促进形成致密的聚酰胺网络结构。聚酰胺层厚度可通过碳纳米管纤维膜的厚度、酰氯浓度以及PEI的分子量进行调节,其中厚度为34 nm的纳滤膜通量高达27 L m-2 h-1 bar-1,为其他文献报道的荷正电性纳滤膜的2-5倍,并且对氯化镁截留率高达97%。(3)以树枝状大分子为单体的超窄孔径分布薄膜复合聚酰胺纳滤膜的设计和构建。纳滤膜的分离机理主要基于孔径筛分和电荷排斥的协同作用。目前,多数纳滤膜的分离选择性低主要是由聚酰胺分离层的孔径分布较宽导致的。为了提升分离层孔径的均一性,我们采用了树枝状聚合物聚酰胺胺(PAMAM)分子作为单体,利用PAMAM大分子自身对称的多分支结构,同时结合表面活性剂分子网络对于界面聚合过程中单体扩散行为的规范作用,促进界面聚合反应的有序均匀的进行,两者协同作用,成功制备了具有超窄孔径分布的聚酰胺薄膜复合纳滤膜,实现了高锂镁选择性的分离。对于高镁低锂体系(Li+20 ppm,Mg2+480 ppm),该纳滤膜的Li+/Mg2+分离因子高达93,显著高于现有的其他纳滤膜材料。