香港大学汤初阳教授《自然·通讯》：热强化界面聚合策略，构筑超选择性反渗透膜

清洁水供应对公共健康和社会经济发展至关重要，然而全球近三分之一人口缺乏安全饮用水。反渗透技术广泛应用于海水淡化和废水回用，每天生产超过8800万立方米的淡化水。现有聚酰胺反渗透膜虽能实现高水渗透性和99%以上的氯化钠去除率，但对小分子有毒微污染物如硼、亚砷酸盐、内分泌干扰物和抗生素的去除效果不佳，这引发了严重的环境和健康关切。例如，商业反渗透膜在近中性pH下对硼的去除率不足80%，需要二次处理才能满足饮用和农业用水标准，因此开发高选择性反渗透膜迫在眉睫。

近日，香港大学汤初阳教授、清华大学郭浩助理教授合作开发了一种热强化界面聚合策略，用于制备高选择性反渗透膜以去除有毒微污染物。通过加热有机溶剂加速胺单体扩散，强化界面聚合反应，形成高交联度聚酰胺膜。所得膜在中性pH下对硼、亚砷酸盐和有机微污染物的去除率分别达到90.8%、98.0%和99%以上，同时水渗透性显著提升。这种膜结合高溶质去除率和水渗透性，实现了高水-微污染物选择性，为海水淡化和废水回用提供了新途径。相关论文以“Thermal-intensified interfacial polymerization enables ultra-selective reverse osmosis membrane for toxic micropollutant removal”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过在不同温度下进行界面聚合反应制备了系列TIP膜。随着有机溶剂温度从0°C升至100°C，水渗透性几乎提升三倍，同时氯化钠去除率同步提高。TIP100膜表现出优异的水渗透性（1.81 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹）和氯化钠去除率（99.1%）。后热处理进一步提升了去除率，TIP100-W膜对多种微污染物如硼、亚砷酸盐、内分泌干扰物和抗生素的去除率均超过文献报道值，例如对分子量仅152.2 g mol⁻¹的甲基帕拉苯去除率达99.1%。

图1：各种TIP反渗透膜的分离性能。A 纯水渗透性。B 氯化钠、硼和亚砷酸盐的去除率。C 内分泌干扰物和抗生素的去除率。D TIP100-W膜对氯化钠、硼、亚砷酸盐、内分泌干扰物和抗生素的去除率与文献数据比较。

热效应对膜形成过程产生关键影响。在100°C的Isopar G中，MPD单体紫外吸收强度是0°C时的三倍，表明高温加速了单体扩散。这使聚酰胺交联度从0°C时的17.7%增至100°C时的78.4%，羧基密度降低，膜表面负电荷减少。同时，表征显示TIP100膜具有更小孔径，增强尺寸排阻效应，提高对中性分子的去除率。

图2：热效应对MPD扩散和膜性质的影响。A 不同温度下MPD在Isopar G中的紫外吸收。B 形成的聚酰胺TIP膜的交联度。C TIP膜的离子化羧基密度。D TIP膜的Zeta电位。E TIP25和TIP100膜的S参数。F TIP25和TIP100膜对四种中性分子的去除率。

膜的微观结构也发生显著变化。随着温度升高，膜表面“叶状”特征扩大，表面粗糙度从45.2 nm增至88.9 nm。高温下形成的聚酰胺层内存在更显著的纳米空隙，这些空隙由界面脱气形成的纳米气泡被包裹而成。TIP100膜的纳米空隙尺寸最大达0.5 μm，空隙分数从TIP0的4.2%增至50.0%，背面开口尺寸也从14.3 nm扩大至30.0 nm。这些结构增加了有效过滤面积，优化水传输路径，从而提升水渗透性。

图3：各种TIP反渗透膜的微观表征。A 扫描电子显微镜表征的表面形貌。B 原子力显微镜表征的表面结构和粗糙度。C 透射电子显微镜表征的截面结构。D 聚酰胺层背面孔的SEM图像。E 背面孔尺寸测量。F 聚酰胺层的纳米空隙分数。G 膜的表面积比。

膜的选择性和抗污染性能得到改善。TIP100膜具有较高的水-硼和水-砷选择性，优于文献中大多数膜。同时，尽管膜表面粗糙度和疏水性增加，但TIP100膜表现出优异抗污染性能，腐殖酸积累较少，污染可逆性高，不可逆通量降低仅1.6%，而TIP25为9.2%。这归因于纳米空隙结构使水通量分布更均匀，降低局部通量。

图4：膜选择性和污染行为。A 水渗透性和水-硼选择性。B 水渗透性和水-亚砷酸盐选择性。C TIP25和TIP100膜在污染-清洗测试中的归一化通量。D 污染后的通量降低和腐殖酸积累。

分子动力学模拟从分子层面揭示热效应机制。高温加速了MPD分子向界面的移动，使其在界面处积累更多。MPD和TMC在100°C下的自扩散系数显著提高，反应速率常数提升一个数量级，促进更快界面聚合反应，形成高交联、窄孔径的聚酰胺层。

图5：在25°C和100°C下单体的传输和反应性。A MPD分子在平衡状态下沿Z坐标不同位置的密度。B 平衡状态下水/有机界面处MPD分子数量。C MPD和TMC的自扩散系数。D MPD和TMC的反应速率常数。

该研究通过热强化界面聚合策略成功制备超选择性聚酰胺膜，实现对多种有毒微污染物的高效去除，同时保持高水渗透性。这种膜不仅能显著提高产水质量，保障公共安全，还能避免额外处理步骤，降低操作成本。此外，其良好抗污染性能有望在废水处理中实现实际应用，为制造高性能反渗透膜提供新思路，推动膜基水处理技术的发展。

来源：高分子科学前沿

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