1.2　膜科学与技术发展的瓶颈问题

从膜自身的角度来讲，膜的过滤效率主要由两个方面来决定：膜的制备材料和膜的组成结构，由此可知，膜科学发展的瓶颈主要体现在现有的膜结构和膜材料限制了膜的效率和应用。所以，对新材料和新结构的迫切要求是解决膜科学与技术发展瓶颈的关键点。

如前面所讨论的那样，传统的商业膜主要采取复合结构，主要包括支持层和过滤层。支持层通常为聚酯（PET）、聚烯烃（PE、PP）无纺布，其优异的机械性能为复合膜提供了足够的机械强度。比如PET无纺布支持层，其杨氏模量达1.3GPa，拉伸强度达72.4MPa，足以满足海水淡化过程中高压（800psi）操作的要求。同时，为了满足过滤膜实际应用的要求，支持层材料还要具有优秀的耐酸碱、耐化学试剂、耐老化、耐氯、耐热等特性。所以，虽然目前强度材料众多，依据以上的要求以及考虑到膜的性能和成本等因素，通常的膜支持层均选择PET无纺布。

传统分离膜的过滤层的材料，依据其应用领域的不同而不同。对于微滤和超滤膜来说，其过滤层可以是疏水的高分子包括PTFE、PVDF、PSU、PES等，也可以是亲水的高分子包括CA、NC等，如图1.10所示。

图1.10　常用的分离膜材料

然而，针对分离对象的多样性包括水生微生物、细菌、病毒、重金属离子、染料、纳米尺寸颗粒、水油乳液、蛋白质等，以及分离体系的复杂性即每种污水体系均为几种、几十种，甚至几百种污染物的复合体系，已有的微滤膜和超滤膜无法满足所有的分离要求。也就是说，分离体系的复杂性以及分离对象的选择性造成了这些传统分离膜在实际应用的局限性。再比如纳滤和反渗透膜，其过滤层材料极为单一，局限于醋酸纤维素和通过界面聚合生成的交联聚酰胺。其分离对象主要是水中的一价离子（如氯离子、钠离子等）、二价离子（如镁离子、钙离子、硫酸根离子等）和小分子染料等。因此，尽管经过近80年的发展，商业化的纳滤膜和反渗透膜过滤层的主体材料仍未改变。

至于商业膜的过滤层结构，微滤（PTFE除外，以机械拉伸法制备）、超滤以及基于CA的纳滤、反渗透膜，基本都是以相反转（phase-inversion）方法制备的；而交联聚酰胺纳滤、反渗透膜则以界面聚合方法制备。相反转法是基于高分子在两种溶剂中的相分离行为来制备多孔膜的方法。从高分子溶液的相图可知，相分离发生在溶剂与非溶剂之比约为1∶1的情况下，也就是在高分子本体中会产生约为50%的孔隙率，如图1.11所示。

图1.11　相反转法与静电纺法所制备的膜结构比较

因此，相反转膜的过滤效率，或者说水在过滤层中的流体阻力受限于其孔隙率。对于以界面聚合方法所制备的纳滤膜和反渗透膜，由于酰氯和脂肪（芳香）族二胺在油水界面上的反应速率极快，因此，只能粗略调节过滤层的厚度，对于过滤层的形成机制，即使经过这么多年的发展之后，仍未能给出清晰的说明。这也就决定了在膜结构发展方面的局限性，表现为膜过滤效率的提高和过滤选择性方面所遇到的挑战。

纳米纤维技术的诞生和发展，为膜科学与技术打开了一扇新的窗子，为新型高效纳米复合过滤膜的制备奠定了基础，为有效缓解淡水资源紧张和治理环境污染提供了新的更有效的工具和手段。纳米纤维技术在水净化膜方面的应用，全部或部分地解决了前面所提到的膜科学与技术发展的瓶颈问题，是人类在探索高效节能水净化膜方面的一个突破，预示着人们在解决淡水资源方面迈出了新的一步。