1.2　膜科學與技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題

從膜自身的角度來講，膜的過濾效率主要由兩個方面來決定：膜的制備材料和膜的組成結(jié)構(gòu)，由此可知，膜科學發(fā)展的瓶頸主要體現(xiàn)在現(xiàn)有的膜結(jié)構(gòu)和膜材料限制了膜的效率和應用。所以，對新材料和新結(jié)構(gòu)的迫切要求是解決膜科學與技術(shù)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵點。

如前面所討論的那樣，傳統(tǒng)的商業(yè)膜主要采取復合結(jié)構(gòu)，主要包括支持層和過濾層。支持層通常為聚酯（PET）、聚烯烴（PE、PP）無紡布，其優(yōu)異的機械性能為復合膜提供了足夠的機械強度。比如PET無紡布支持層，其楊氏模量達1.3GPa，拉伸強度達72.4MPa，足以滿足海水淡化過程中高壓（800psi）操作的要求。同時，為了滿足過濾膜實際應用的要求，支持層材料還要具有優(yōu)秀的耐酸堿、耐化學試劑、耐老化、耐氯、耐熱等特性。所以，雖然目前強度材料眾多，依據(jù)以上的要求以及考慮到膜的性能和成本等因素，通常的膜支持層均選擇PET無紡布。

傳統(tǒng)分離膜的過濾層的材料，依據(jù)其應用領(lǐng)域的不同而不同。對于微濾和超濾膜來說，其過濾層可以是疏水的高分子包括PTFE、PVDF、PSU、PES等，也可以是親水的高分子包括CA、NC等，如圖1.10所示。

圖1.10　常用的分離膜材料

然而，針對分離對象的多樣性包括水生微生物、細菌、病毒、重金屬離子、染料、納米尺寸顆粒、水油乳液、蛋白質(zhì)等，以及分離體系的復雜性即每種污水體系均為幾種、幾十種，甚至幾百種污染物的復合體系，已有的微濾膜和超濾膜無法滿足所有的分離要求。也就是說，分離體系的復雜性以及分離對象的選擇性造成了這些傳統(tǒng)分離膜在實際應用的局限性。再比如納濾和反滲透膜，其過濾層材料極為單一，局限于醋酸纖維素和通過界面聚合生成的交聯(lián)聚酰胺。其分離對象主要是水中的一價離子（如氯離子、鈉離子等）、二價離子（如鎂離子、鈣離子、硫酸根離子等）和小分子染料等。因此，盡管經(jīng)過近80年的發(fā)展，商業(yè)化的納濾膜和反滲透膜過濾層的主體材料仍未改變。

至于商業(yè)膜的過濾層結(jié)構(gòu)，微濾（PTFE除外，以機械拉伸法制備）、超濾以及基于CA的納濾、反滲透膜，基本都是以相反轉(zhuǎn)（phase-inversion）方法制備的；而交聯(lián)聚酰胺納濾、反滲透膜則以界面聚合方法制備。相反轉(zhuǎn)法是基于高分子在兩種溶劑中的相分離行為來制備多孔膜的方法。從高分子溶液的相圖可知，相分離發(fā)生在溶劑與非溶劑之比約為1∶1的情況下，也就是在高分子本體中會產(chǎn)生約為50%的孔隙率，如圖1.11所示。

圖1.11　相反轉(zhuǎn)法與靜電紡法所制備的膜結(jié)構(gòu)比較

因此，相反轉(zhuǎn)膜的過濾效率，或者說水在過濾層中的流體阻力受限于其孔隙率。對于以界面聚合方法所制備的納濾膜和反滲透膜，由于酰氯和脂肪（芳香）族二胺在油水界面上的反應速率極快，因此，只能粗略調(diào)節(jié)過濾層的厚度，對于過濾層的形成機制，即使經(jīng)過這么多年的發(fā)展之后，仍未能給出清晰的說明。這也就決定了在膜結(jié)構(gòu)發(fā)展方面的局限性，表現(xiàn)為膜過濾效率的提高和過濾選擇性方面所遇到的挑戰(zhàn)。

納米纖維技術(shù)的誕生和發(fā)展，為膜科學與技術(shù)打開了一扇新的窗子，為新型高效納米復合過濾膜的制備奠定了基礎，為有效緩解淡水資源緊張和治理環(huán)境污染提供了新的更有效的工具和手段。納米纖維技術(shù)在水凈化膜方面的應用，全部或部分地解決了前面所提到的膜科學與技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，是人類在探索高效節(jié)能水凈化膜方面的一個突破，預示著人們在解決淡水資源方面邁出了新的一步。