青岛水大会专家访谈系列（七）丨汪勇：打造均孔膜“芯片”

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南京工业大学汪勇教授，我国水处理膜方向973计划首席科学家，是国家特种分离膜工程技术研究中心和材料化学工程国家重点实验室的研究骨干，也是“水处理膜”江苏高校优秀科技创新团队带头人。在他主持的“面向应用的高性能水处理膜设计与制备”973项目中，我是专家组成员，我们交流甚多。

汪勇团队以两亲嵌段共聚物选择性溶胀和原子层沉积为突破手段，提出了“均孔膜”的概念，发展了均孔膜制备新方法和孔型调变方法，首次实现了孔型为纳米狭缝孔的均孔膜大面积制备，渗透性（通量）是商品膜的10倍以上；将原子层沉积技术引入到膜领域。他们的研究实现了自发永久亲水中空纤维膜的规模化生产，目前该项研究已经在20多个水处理工程中得到工业应用。

汪勇在国内外获得许多奖励，如2012年度中国化学会青年化学奖，2008年作为洪堡学者代表应邀参加诺贝尔奖获得者大会，2006-2008德国洪堡基金会洪堡奖学金等。他的团队一直活跃在国际膜科学技术的前沿，我相信他和他的伙伴们会走的更好更远！

—中国水利企业协会脱盐专业委员会

会长  郭有智

汪勇教授

汪勇教授从事均孔膜的设计、构建、放大与应用的研究，入选江苏省引进高层次创新创业人才计划，获得江苏省杰出青年基金、霍英东基金等人才项目资助。承担了包括973计划、973前期研究专项、国家自然科学基金、德国洪堡基金等科研项目20余项。2015年担任主题为“限域传质：前沿科学问题与关键技术”香山科学会议第546次学术讨论会执行主席；担任中国膜工业协会专家委员会委员及学术期刊《水处理技术》、《膜科学技术》编委；已发表SCI论文150余篇，获得授权发明专利近20件；获得2012年度中国化学会青年化学奖、2016年度江苏省青年科技奖和2017年度江苏省科学技术一等奖。2014年，膜领域奥林匹克盛会——国际膜与膜过程大会（ICOM214）30年来，首次在中国举办，汪勇教授担任会议组委会共同主席，并主持会议的Reception和Congress Dinner。

20年前，汪勇在天津工业大学做本科毕业论文，以及随后的硕士生阶段，师从膜天公司总工程师杜启云研究员，受到膜分离的启蒙教育，并踏足水处理膜的研究。在中科院化学所读博期间，深受导师韩布兴院士熏陶，“绿色”理念根植于心。博士毕业后，在美国宝洁公司研发中心工作，见识了世界500强公司的研发体系和生产体系，了解了研究成果从实验室走向工厂、走向市场的过程。随后，在德国洪堡基金会资助下，到马普微结构物理研究所做洪堡学者，接触到了半导体领域所必需的“精密”理念。

10年前，在徐南平院士感召下，他回国到南京工业大学膜科学技术研究所工作，开始独立研究。受过往的学习和工作经历影响，汪勇开展面向水资源高效利用的膜分离研究，“绿色”和“精密”是汪勇团队所秉持的理念，也逐渐形成了特色。

分离膜作为分离过程的“芯片”，在水资源高效利用方面发挥着举足轻重的作用。但是，目前广泛应用的分离膜，由于孔径分布较宽和亲水性不足的原因，面临着选择性和渗透性相互制约，难以同步提升（trade-off效应）的发展瓶颈。聚焦于这个瓶颈问题，汪勇团队致力于面向水处理过程的分离膜理性设计、精准构建与工程应用。

汪勇教授在实验室

膜孔均一化是实现分离过程选择性和渗透性同步提升的一个关键因素，是膜分离的重要发展方向，近年来引起了广泛的关注和研究兴趣。但是，由于成孔方法的限制，国际上的研究局限于各向同性的圆柱状（cylinders）孔道，并使用术语“isoporous membranes”，忽视了各向异性的规整孔道。汪勇发现，一些非圆柱状孔道构型，如狭缝孔（slit-shaped pores），也展现出类似甚至更好的同步提升选择性和渗透性的效果。他认为，不应限定个体孔道自身空间结构的各向同性，只要求孔道构型和尺寸保持一致性（homogeneousness）即可，由此提出用“homoporous membranes”来统一命名这类分离膜，并给出其对应的中文名称——“均孔膜”。

汪勇提出了“预取向-选择性溶胀”的均孔膜制备方法。该方法使用具有强烈微相分离倾向的两亲嵌段共聚物为起始材料。改变共聚物的分子量、嵌段比以及溶胀条件等参数，可在10-50 nm范围内对膜孔直径进行调节。均孔膜的孔道构型（孔型）不局限于圆柱孔，在保持膜孔个体一致性的前提下，有针对性的调变孔型将成为提升膜性能的突破口。汪勇基于溶剂与共聚物的相互作用，首次获得了大面积有序、孔宽小于20 nm的狭缝孔。与孔径等于狭缝孔孔宽的圆柱状均孔膜相比，狭缝孔均孔膜的孔隙率高出一倍以上，因而渗透性大为增加。在截留率相当的前提下，孔型为狭缝孔的均孔膜通量是商品膜的10-100倍。

他们对均孔结构形成机制、调控方法和膜分离性能开展了系统的研究，研究成果已申请发明专利。《中国工程科学》上发表的题为《中国膜科学技术的创新进展》的评述论文中，将均孔膜方面的工作作为我国近10年在新型膜方面创新发展的一个代表进行介绍。

均孔膜结构的显微照片（左：垂直均孔，右：平行均孔）

汪勇将主要应用于半导体和微电子行业的原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）技术引入到膜分离领域，在分离膜孔壁上沉积氧化物，实现了孔径的精准调变。在深入理解ALD的沉积过程和反应规律基础上，他们认为ALD具有精密调控分离膜孔径和表面性质的突出效果。利用ALD对膜孔的精密、连续调变作用，不仅大幅提升了膜的截留率，还提出了“基膜+ALD”的策略，分别实现了以微滤膜为基膜制备超滤膜、以超滤膜为基膜制备纳滤膜。

经ALD沉积金属氧化物之后，聚合物膜原先较为疏水的表面被氧化物均匀覆盖，具备强亲水特性。通过系统研究，他们揭示了沉积层生长方式与膜孔表面化学性质的关系。在疏水膜（如PTFE、PVDF、聚丙烯等）上沉积金属氧化物，当沉积循环次数较少或适中时，由于亲水性增强和有效孔径减小的双重效应，选择性和渗透性同时大幅提高，突破了trade-off效应。如在PTFE微滤膜上沉积氧化铝，经过150次沉积，通量从沉积前的1600 L/(m2·h·bar)大幅增加至4100 L/(m2·h·bar)，而对单分散SiO2球粒（粒径=22 nm）的截留率也从16 %提升至55 %。

汪勇的研究表明，原子层沉积几乎可在任何聚合物或无机膜孔道上发生，是一种适用于众多膜材料亲水改性的普适性方法。在ALD过程中，由于气相前驱体向聚合物次表面渗透或者与膜表面活性基团形成化学键合，沉积层与膜基体之间具有强结合力，不易脱落，ALD产生的亲水效果可以持续保持。相关工作已获多项授权发明专利。目前，汪勇和团队成员正在积极研发适用于大型膜组件原位功能化的ALD装备。

从放大制备和工程应用的角度考虑，在获得足够亲水化效果的前提下，实施亲水化的方法应尽可能简单。汪勇研究选择性溶胀的动力学过程和成孔机理，发现极性嵌段在溶胀过程中，逐步向膜孔表面迁移，赋予分离膜表面亲水特性。由于极性嵌段是通过共价键与形成膜基体的非极性嵌段连接，不会在使用过程中脱落或流失，故亲水性能够得以永久保持。经选择性溶胀制备的分离膜对尺寸相近的纳米颗粒具有优异的筛分作用，且亲水性强，抗蛋白吸附污染能力比通常的PVDF膜高出1倍以上。当极性嵌段为聚氧化乙烯（PEO）时，由于被强水合作用的PEO嵌段均匀覆盖，经选择性溶胀制备得到的共聚物膜对蛋白质“零吸附”，表现出十分突出的抗蛋白污染能力。

自发永久亲水特性源于极性嵌段在选择性溶剂作用下向表面的迁移和富集。该过程的驱动力是极性高分子与极性小分子的亲和作用，对于亲水链段和疏水链段的长度、比例和连接方式敏感度较低，即一些非规整结构的两亲高分子也能产生相近的亲水增强效果。这使得获取自发永久亲水分离膜的门槛大为降低，规模化制备也成为可能。水处理膜过程迫切需要永久亲水分离膜，而目前却缺乏成本可接受、工艺可放大的制备方法。为满足这个重大需求，汪勇基于两亲共聚物中极性链段在极性选择性溶剂作用下自发向表面迁移和富集的现象，与合作者一起实现了自发永久亲水中空纤维膜的规模制备。永久亲水PVDF中空纤维膜应用制浆造纸、化工、制药等废水处理和中水回用20多个工程。在与国外产品的工程对比中发现，跨膜压差保持相对稳定，膜性能优于国外著名品牌的产品，为制浆造纸等废水零排放等工程做出了重要贡献。项目团队获得2017年度江苏省科学技术一等奖。

绿水青山就是金山银山，膜分离任重道远。一方面，膜材料在生产制备过程中还需要使用大量有机溶剂，产生难处理的废水，陷入环保材料不环保的尴尬境地。另一方面，新材料的发展为膜分离技术的跨越式甚至颠覆式发展创造了可能。汪勇和团队将坚持“绿色”、“精密”理念，打造均孔膜“芯片”，推动水资源高效利用跨入2.0时代。

在采访结束时我们问汪勇教授，作为一位年轻的973首席科学家，对未来你有什么样的预期？

汪勇回答：在膜界众多前辈的支持下，我担任水处理膜973项目的首席科学家。这给我极大的压力让我快速成长。在项目组同仁的共同努力下，我们在膜“芯片”的设计理论、构建方法和规模制备等方面都取得了可喜的进展。在今后的研究中，我们将继续面向国家在水资源方面的重大需求，在新材料、新技术不断涌现的科技发展大形势下，特别注重学科交叉，齐心协力，锐意创新，努力发展颠覆性技术，为提升我国在水处理膜方面的核心竞争力做出实实在在的贡献。