主页%『摩根注册』%主页纯净水对于人体健康和社会稳定有重要作用，但全球每年至少有40亿人遭受过水短缺的问题，且水需求会由于人口增长、工业化、气候变化而持续增长，因此，通过选择性膜技术对工业废水等进行高效处理获得清洁水源对于解决水短缺问题有重大意义。基于此，明尼苏达大学的Marc A. Hillmyer教授团队嵌段共聚物为基础，通过分析不同成膜技术及性质，对目前超滤膜的研究进展进行总结，以题为“Next-Generation Ultrafiltration Membranes Enabled by Block Polymers”发表在《ACS NANO》上。
嵌段聚合物是由两种或多种化学性质不同的聚合物通过共价键连接形成的，由于能自组装成规律的周期性纳米结构而有望用于选择性分离这一体系。通过改变组成和制备方式可以得到一系列结构有序的嵌段共聚物，且两亲性的聚合物能同时增强膜表面和孔结构的亲疏水性，提高污垢阻力和膜的使用寿命。
将溶液加工技术与合适的化学反应结合，最主要的是要通过调控膜制备和后处理过程以便于在整个膜结构中形成尺寸均匀的孔结构。膜性能与聚合物的化学性质、加工过程及孔形成机理有关，且高性能的膜对于嵌段共聚物大规模商业化用于水处理有重要意义。
超滤膜（UF）在饮用水净化等工业领域都有广泛应用，目前的商业化UF膜主要是用均相溶液通过非溶剂诱导相分离制备，呈现均匀的孔结构和较高的水渗透性，但其较宽的孔径分布会限制膜的高效分离选择性，轨迹蚀刻能提高膜的选择性但会降低水渗透性。因此，理想的UF膜应该结合两种膜的优点，即有高孔隙度、较薄膜层且孔径均匀的结构。
UF膜的分离过程主要是基于分子筛机理，以截流分子量作为选择指标，即较大的溶质会被抑制进入孔结构中。膜的选择性主要由活性层的平均孔径和孔径分布决定，研究表明，平均孔径决定了截流分子量，孔径分布决定了区分粒径相似的颗粒的能力。理想的膜应具有各向同性的结构，定向选择性还能通过对孔壁功能化修饰来实现。
目前UF膜最大的商业化应用是作为膜生物反应器（MBRs）用于污水处理，将生物降解和超滤过程同时进行。通过加入亲水性嵌段共聚物能减小MBRs不可逆阻垢的问题，提升反应器的寿命。由于UF膜对病原体超强的清除能力，超滤技术广泛能应用于现代工业饮用水处理设备中，该技术不仅可以完全取代物理分离步骤，还能作为最后的抛光步骤。
通过NIPS制备的UF膜呈现完整且不对称的结构，这种简便的NIPS过程可以将PSF、PES、PAN等一系列聚合物用于UF膜的制备，通过改变化学组成和浓度便能精确调控孔形貌和孔径。为了减少对NIPS膜表面化学性质的限制，通常会用涂覆或共价嫁接亲水聚合物的方式来提高亲水性，但也会破坏膜的稳定性和孔结构。通过添加两亲性的块状和梳状聚合物能提升内部孔结构和外表面的稳定性。
自组装嵌段聚合物有均匀的尺寸和可调的形貌结构，能实现比NIPS膜更精确的分离过程。通常制备嵌段聚合物基UF膜是利用内部的自组装纳米结构作为孔结构的模板，通过选择性蚀刻产生孔结构，孔径与蚀刻部分的初始摩尔质量有关。嵌段聚合物中化学结构不相同的区域会在焓驱动下发生相分离，但这些区域间的共价连接会将分离尺寸限制在分子尺度内，使整个材料在纳米尺寸内微相分离，从而得到尺寸均匀结构有序的规整区域。
和其他选择性降解的方法类似，选择性溶胀是在固态膜上高效自组装成热力学稳定的形貌，这一方法能避免蚀刻降解过程中产生副产品的可能，并简化了膜的制备工艺，在终产物中，溶胀的极性部分也能保持完整，所形成的亲水表面和孔壁能提高膜的亲湿性和阻垢性。
SNIPS是通过溶液驱动嵌段共聚物分子自组装成胶束，通过在非溶剂中蒸发引发相分离并形成孔结构。该方法能在工业涂覆领域中有广泛应用，并有望实现商业化的卷轴式膜制造。与传统的NIPS膜相比，微相分离的纳米结构有更为规律且均匀的孔表面和更精确的分离过程。SNIPS中的选择层和支撑层都是由嵌段共聚物组成，简化了涂层步骤，这种结构也保证了在选择层中分离目标污染物的小孔能相互连接成膜基质中的大孔结构，从而不需要取向就能实现较高的水渗透性。最终膜的性质与聚合物的化学性质和组成、溶液浓度、蒸发时间有关。
实现嵌段聚合物膜的工艺目标需要在化学和加工领域同时进行理论和实际研究，通过优化非平衡自组装过程和纳米结构、提高实验效率并保证产率，有利于提升膜的制备工艺并进一步得到更高性能的膜材料。此外，膜中支撑层对于整个膜的性能也有着决定性的作用，而对于膜性能的表征也需要更先进的技术来得到更准确的数据。
目前的多数研究主要依赖于涂层技术，难以大范围生产，且实验制备的多为平板膜，而工业上多生产真空纤维膜，因此如何将实验室产品进行商业化与工业化生产也是膜在制造中所面临的巨大挑战。
嵌段聚合物在水处理中有着较为广泛的应用前景，优异的尺寸选择性能显著提高膜的分离效率并发展更多实际应用。不仅如此，嵌段聚合物的多功能性在聚合物中添加抗垢部分，显著提升了膜的使用寿命。然而，尽管潜力巨大，对嵌段聚合物膜仍需要更多探索才能逐渐替代NIPS膜，才有可能将这些技术转化为商业可行的技术。
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