什么是纳滤？纳滤膜怎么做的？有啥用？

纳滤是一种压力驱动膜过程，其主要分离机理包括筛分效应和静电作用（还有介电作用），通俗的说，当溶液在压力的驱动下向膜面发生对流传质，小于膜孔大小（纳滤膜孔直径通常小于2纳米）且与膜表面带相反电荷（商品化纳滤膜通常荷负电）的物质相对更容易透过膜。同时，当部分物质被截留在膜面并不断累积时，导致其膜面浓度大于主体溶液浓度，会形成浓差极化层，从而增加膜两侧的浓度差，以浓度差为驱动力，物质会发生扩散传质透过膜。因此浓差极化一方面会导致物质的截留率降低，还会导致膜两侧渗透压差增大，抵消部分压力驱动力，降低通量。

　　如何形成具有2纳米以下孔径的膜呢？为何商品化的纳滤膜会带负电呢？事实上，目前商品化的纳滤膜并不具备如上图所画的直通孔，而是弯弯曲曲错综交错的纳米孔隙。目前制备方法主要包括非溶剂致相分离和界面聚合法。非溶剂致相转化法是利用有机溶剂将聚合物高分子溶解，然后涂覆在聚酯无纺布支撑层上，在空气中短暂挥发有机溶剂降低其流动性并在表面形成致密层后，将其浸入非溶剂相（通常其主体是水，会添加其他与水和有机溶剂互溶的溶剂，如乙醇），有机溶剂和非溶剂发生扩散传质液液交换，聚合物高分子凝固成膜，在液固两相界面形成纳米孔隙，通过物理（如加热）或化学后处理步骤获得膜产品。相分离法制备的纳滤膜材料主要包括聚醚砜和磺化聚醚砜，相转化法制备的纳滤膜通常孔隙较大，膜层比较厚，通量较低，且由于膜材料本身的疏水特性，其抗污染性能比较差。

　　界面聚合法是利用不相溶的水相和油相在油水界面发生单体缩聚反应，形成超薄聚合物分离层。由于聚合物交联度高，其纳米孔隙是高分子链间的自由体积，因此可制备孔径小于1纳米的纳滤膜。通常这个缩聚反应的产物除了聚酰胺聚合物外，还会产生盐酸（酰氯的氯和哌嗪的氢），因此在水相单体中会加入酸吸收剂以促进反应。界面聚合反应具有自抑性，相界面生成的聚酰胺层会阻碍单体向反应区的扩散，降低反应速率，因此后续会通过加热促进残余活性基团进一步交联缩小孔隙。商品化纳滤膜通常为图4的薄层复合结构（分离层厚度小于1微米），其支撑层为相转化法制备的超滤膜（孔径约10-30纳米），这种梯度结构也保障了纳滤膜的耐压性（为了降低支撑层成本，减少膜的总体厚度增加组件装填密度，目前也有采用聚乙烯PE隔膜代替超滤支撑层的纳滤膜产品）。由于聚酰胺中残余的酰氯基团会水解生成羧基，相转化的聚醚砜或磺化聚醚砜含有醚键和磺酸基，都会使纳滤膜在中性pH下荷负电，通常对荷负电的物质截留率更高。

　　除了相转化和界面聚合两种工业化常用的制备方法外，还有表面接枝法和层层自组装法等可用于聚合物纳滤膜的制备，表面接枝法是在小孔超滤膜上进行化学接枝将孔缩小到纳滤级别，层层自组装法通常是利用带相反电荷的聚电解质在基膜上进行反复涂层再化学交联制备纳滤膜。除此以外，利用二维纳米材料如氧化石墨烯进行抽滤或压力驱动在支撑体上形成层状沉积层，通过控制层状材料的层间距形成具有纳滤分离性能的膜也是学术界的研究热点。在相转化或界面聚合过程中添加纳米材料（如金属有机框架材料）或仿生材料（如水通道蛋白），可以通过影响成膜动力学改变膜的物理结构并在聚合物中形成更多水通道，提高纳滤膜的通量。

　　纳滤膜制备，尤其是界面聚合法制备纳滤膜是目前膜界的研究热点，一方面与当下的绿色制造和节能减排产业需求有关（双碳战略和美丽中国），另一方面与纳滤膜制备过程所需知识的多学科交叉融合有关，当然也与Nature、Science杂志发表了几篇相关论文有关，从单体材料的分子设计、界面聚合过程的动力学和热力学、纳米材料添加剂的制备和组装、支撑基膜的表面和孔隙设计、物理化学后处理技术等等，引起了材料、纳米、化学、化工、催化、环境等学科领域的广泛关注。在对纳滤膜性能的要求方面，相比反渗透膜（提高盐截留率、水通量、抗污染性和耐氧化性），纳滤膜应用场景可谓五花八门（可分离具有不同尺寸和荷电的小分子，在饮用水处理、食品加工、药物合成精制、发酵产品精制、工艺水/废水资源化等领域应用广泛），需要对其孔径大小和荷电性进行精密调控，尤其要提高其抗污染性（污染物种类多样），因此研究内容也比较丰富。