聚酰胺層的厚度和表面形貌是影響復合納濾膜滲透性能的重要因素，單體的擴散速率和擴散均勻性制約著聚酰胺層的厚度和表面形貌。此研究中我們將聚環(huán)氧乙烷（PEO）加入到PIP水相中，水相黏度的增加促使PIP的擴散速率快速下降，界面處處于非熱力學平衡狀態(tài)，滿足緩慢擴散的活化劑和快速擴散的抑制劑條件，致使膜表面形成規(guī)則的圖靈結(jié)構(gòu)，極大增加了復合膜的表面粗糙度。相對原始聚酰胺膜，PEO的加入還使得改性膜的PA層更薄更親水，滲透通量因此得到提升，最大提升幅度約300%，同時保持對Na2SO4 >96%的截留率。氯化膽堿（CC）的二次改性，進一步提高了滲透通量，最高可達12.59 L/（m2·h·bar）。
圖 1復合膜的制備流程及反應機理示意
水相溶液的黏度是影響PIP擴散速率的重要因素，圖2（a）展示了水相溶液的黏度與PEO濃度的關系，經(jīng)過擬合，水相溶液的黏度隨PEO的含量增加基本呈線性正相關，當PEO含量達1 w/v%時，溶液的黏度已接近純PIP溶液的1.5倍，快速增加的水相黏度從物理角度限制了PIP的擴散，圖2（b）展示了PEO濃度對PIP在正己烷中擴散速度的影響，通過對比經(jīng)過擬合后的曲線可以明顯觀察到隨著PEO濃度的增加，PIP向油相擴散的速率在快速下降。因此PEO的加入可以顯著影響胺單體的擴散速率，使界面聚合中兩種單體的擴散速率產(chǎn)生較大的差異，發(fā)生不均勻擴散，從而導致圖靈結(jié)構(gòu)的形成。
圖靈結(jié)構(gòu)是一種理想的空間周期形式，通常出現(xiàn)在遠離熱力學平衡的反應擴散過程中，且需滿足抑制劑的擴散系數(shù)大于活化劑的擴散系數(shù)條件。在傳統(tǒng)的IP過程中，由于TMC在水中的溶解度很小，反應通常是由PIP從PES基膜的表面和孔內(nèi)向水油界面處擴散參與反應，因此PIP作為活化劑，其擴散系數(shù)遠大于作為抑制劑的TMC，生成的是結(jié)點結(jié)構(gòu)。PEO的加入增加了水相溶液的黏度，從物理角度限制了PIP的擴散，使得局部TMC的擴散速率大于PIP的擴散速率，因此形成獨特的圖靈結(jié)構(gòu)。
圖 2復合膜的表面形貌圖（a）PES支撐膜；（b）NF0；（c）-（f）對應PEO的濃度分別為0.3%、0.5%、0.7%和1%
圖3展示了NF0、NF1和NF2膜對Na2SO4、MgSO4、MgCl2和LiCl四種無機鹽的分離性能。PEO的加入提高了膜的表面親水性和粗糙度，Na2SO4的滲透通量由3.45 L/（m2·h·bar）提升至11.28 L/（m2·h·bar），提升超過300%，并且保持對Na2SO4截留率>96%。CC二次改性后，通量進一步提升至12.59 L/（m2·h·bar），達到令人滿意的地步。此外CC屬于季銨鹽，帶有一定的正電性，因此膜表面電負性的降低使得復合NF膜對LiCl的截留率出現(xiàn)一定程度的下降。總的來說，PEO的加入和CC的二次改性對膜的致密性幾乎沒有影響，但是滲透通量相比純聚酰胺膜提高了接近360%，并且選擇性有所提升。
圖3 NF0、NF1和NF2的性能對比