本刊記者 李 丹

靳健JIN Jian

國家杰出青年科學(xué)基金獲得者

Winner of National Science Fund for Distinguished Young Scholars

中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員

Professor, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, CAS

吉林大學(xué)博士，2001～2003年日本東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心博士后；2004～2009年在日本物質(zhì)材料研究機構(gòu)先后任特別研究員、終身職位主任研究員；2009年4月加入中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所。一直從事分離膜研究，已發(fā)表論文100多篇，總被他引2400余次，學(xué)術(shù)成果多次被Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.、Prog.Polym.Sci.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.等綜述論文大篇幅正面引用和評價，并被NPG Asia Mater.及 Materials Views（中國）作為亮點工作介紹。獲授權(quán)國家發(fā)明專利18項。2010年獲江蘇省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)引進(jìn)人才稱號，2013年獲江蘇省杰出青年科學(xué)基金資助，2015年獲全國巾幗建功標(biāo)兵稱號。

靳?。壕哂蟹肿蛹壐呔确蛛x與純化功能的分離膜材料與技術(shù)已成為解決日益惡化的空氣／水環(huán)境污染和水資源短缺、能源短缺的重要功能材料和核心技術(shù)之一，在廢污水凈化處理和中水回用、氣體純化與分離等領(lǐng)域具有重要作用。以乳化油處理為例，金屬及其合金材料在加工成各種機械零部件過程中都需要使用各種潤滑劑，如切削液、冷卻液等，然而其廢液處理比較困難，經(jīng)常造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。除了機加，其他產(chǎn)廢的主要過程還有冶金、鍛造、鑄造及熱處理等，涉及冷卻水的再處理，防止冷卻水變質(zhì)與腐蝕系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的乳化油水分離技術(shù)相比，基于膜技術(shù)的分離效率大大提升，通過試驗，一次性分離水中油含量低于10ppm，大大減輕后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)。

自2009年任職中科院蘇州納米所以來，組建研究團隊集中研究分離膜結(jié)構(gòu)與分離性能之間的構(gòu)效關(guān)系。從經(jīng)典的膜通量Hagen-Poiseuille方程出發(fā)，結(jié)合Young-Laplace方程，提出了從孔隙率、膜臨界壓力和液體傳輸路徑3個參數(shù)出發(fā)，設(shè)計和制備高通量、高選擇性高分子分離膜的新思路。（1）通過在剛性聚合物中引入非平面結(jié)構(gòu)單元，實現(xiàn)對膜微孔結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，增加自由體積，提高膜孔隙率，提升通量。（2）改變通過施加跨膜壓力提升膜通量的傳統(tǒng)思路，通過對膜微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控，降低膜臨界壓力，提高通量。（3）構(gòu)筑高強度超薄分離膜，縮短分離物質(zhì)傳輸路徑，實現(xiàn)低驅(qū)動壓力下的超高通量、高選擇性分離。

：膜污染是影響膜性能發(fā)揮、阻礙膜技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵和難點之一，您是怎么解決這一難題的？

靳健：通過構(gòu)筑微納復(fù)合多級結(jié)構(gòu)，可以有效提升膜浸潤性，但對膜抗污染性能的提升有限。提高膜的水合能力，利用水合層來阻隔污染介質(zhì)與膜直接接觸是有效方法之一。我們從提升膜的水合能力的角度出發(fā)，利用強水合性親水高分子對膜表面進(jìn)行改性，同時，將荷電基團引入到膜中，利用靜電排斥和親水性的協(xié)同作用，有效提升膜的親水性，獲得了超親水膜，并極大改善了膜的抗污染性能，保障了膜在多次循環(huán)使用中穩(wěn)定的通量和截留率。實現(xiàn)了乳液的高效分離，油水乳液經(jīng)一次分離后，水中油含量小于10ppm，達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

但是，僅僅通過對膜表面化學(xué)改性仍難以避免膜內(nèi)部的污染，進(jìn)而提出了一種以成膜高分子為支撐骨架，水凝膠類強水合性高分子在骨架內(nèi)灌注，進(jìn)而形成親水微區(qū)分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合膜的新思路，解決膜內(nèi)部的污染。以最難處理、膜污染最嚴(yán)重的高粘度原油為測試對象，該復(fù)合膜對高粘度油零粘附，一次分離后，水中油含量低于1ppm，20次循環(huán)分離試驗表明，該膜具有理想的抗污染性質(zhì)和使用壽命。上述研究成果受邀撰寫綜述，發(fā)表在NPG Asia Mater.，并受邀為Royal Society of Chemistry出版的英文專著Smart Materials for Advanced Environmental Applications撰寫一個章節(jié)。

：超薄膜研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是如何兼顧超薄厚度和孔徑均一可調(diào)，同時保證膜機械強度并實現(xiàn)大面積制備，您和您的團隊發(fā)展了一系列基于限域反應(yīng)制備超薄膜的新方法，能否簡要介紹一下？

靳?。荷唐坊募{濾、超濾、微濾膜由于受到制備方法的限制，需要微米尺度膜厚以維持膜機械強度。我們團隊圍繞高機械強度、大面積超薄膜的可控制備研究，將傳統(tǒng)高分子膜制備過程與新型納米材料和納米研究手段有機結(jié)合，發(fā)展了軟模板、二維限域反應(yīng)、氣/液界面聚合等可控制備策略，成功制備了系列膜厚小于100nm的高分子超薄膜。

（1）軟模板法：由兩個分子層構(gòu)成的生物膜是最理想的超薄膜體系。在前期成功制備厚度為5 nm的最薄有機固體雙分子膜和多種無機超薄膜的基礎(chǔ)上，將超薄膜體系擴展到高分子超薄膜的制備中。通過在有機小分子中引入可聚合基團，利用膜內(nèi)原位交聯(lián)聚合反應(yīng)獲得了雙分子層厚度（小于10nm）高分子超薄膜。

（2）二維限域反應(yīng)法：為克服軟模板法制備的超薄膜種類有限、膜厚難以調(diào)控的問題，進(jìn)而提出了利用二維限域空間反應(yīng)制備超薄膜的思想。通過設(shè)計合成一種可形成Lamellar結(jié)構(gòu)的液晶小分子，與水形成Lamellar/水層/Lamellar的交替層狀有序結(jié)構(gòu)，其中水層的厚度可在幾納米到幾百納米范圍內(nèi)調(diào)控，以此水層作為二維限域空間引入聚合反應(yīng)，成功制備出了系列厚度從幾納米到幾十納米可調(diào)的超薄膜。

（3）氣/液界面聚合法：為獲得大面積的聚合物超薄膜，以氣/液界面作為反應(yīng)場，利用界面聚合法，將聚合反應(yīng)選擇性地控制在氣/液界面進(jìn)行，成功制備了厚度小于100 nm、面積達(dá)到平方厘米級的聚吡咯超薄膜，改善了前兩種制備方法中膜面積小的缺點，并通過反應(yīng)條件的控制，成功實現(xiàn)了膜厚從幾納米到幾十納米的精確調(diào)控。

：通過上述不同策略可以成功制備高分子超薄膜，但是如何調(diào)控這些超薄膜的孔道結(jié)構(gòu)和表面浸潤性，使其在低壓力操作下實現(xiàn)高通量分離應(yīng)用？膜的分離機制研究現(xiàn)狀如何？

靳健：我們提出脫離單一的高分子膜體系，以高強度碳納米管超薄多孔膜作為支撐骨架，對碳管膜表面進(jìn)行高分子修飾，獲得了高分子/碳納米管復(fù)合超薄分離膜。復(fù)合膜既保留了碳管膜超薄、多孔結(jié)構(gòu)的特性，又兼具高分子材料的物性和功能。利用修飾的高分子對膜浸潤性進(jìn)行調(diào)控，可有效降低超薄膜的臨界壓力，實現(xiàn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)高分子膜的超高通量、高選擇性分離。

膜物理結(jié)構(gòu)（孔徑、孔曲率、膜表面形貌、厚度等）和化學(xué)性質(zhì)（表面電荷、官能團、極性、親水性等）影響膜分離性能。對膜分離過程微觀機制研究，理解和闡明分離物質(zhì)與孔道表界面間相互作用及其對分離性能的影響規(guī)律，是合理設(shè)計膜材料和膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，對優(yōu)化膜性能、指導(dǎo)和發(fā)展新的分離膜體系具有重要意義。但是，目前對微觀分離機制和過程的研究甚少。我們團隊擬在分離介質(zhì)的界面吸附-脫附、聚集、融合、生長、宏觀分相等試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建理論模型開展膜分離過程的微觀機制研究，從理論上闡明不同分離介質(zhì)與膜材料界面之間的相互作用，建立分離膜材料及膜結(jié)構(gòu)和分離結(jié)果的效能關(guān)系和規(guī)律，為設(shè)計和優(yōu)化高分子分離膜體系奠定一定的理論基礎(chǔ)。