Nat Wat:仿生离子限域介导自组装混合维度聚酰胺纳滤膜实现超快选择性分离

水安全作为21世纪全球可持续发展所面临的核心挑战之一，正日益受到世界各国的广泛关注。 随着人口的持续增长、工业化进程的加快以及气候变化的加剧，清洁水资源的紧缺问题日益严峻，已成为制约社会与经济协调发展的关键因素。尽管传统水处理技术如沉淀、吸附、蒸馏和反渗透等在某些场景中仍具一定实用性，但普遍存在高能耗、运行成本高、处理效率低或可能引发二次污染等问题，已难以满足当今对绿色、智能与高效水处理技术的迫切需求。因此，开发新型节能高效、选择性强且适用于复杂水体系的膜分离技术，成为科研界与工业界的共同目标。

纳滤（Nanofiltration, NF）作为一种介于超滤与反渗透之间的压力驱动膜技术，兼具优异的分离性能与较低的运行能耗，近年来受到广泛关注。 其独特的分离机制使其能有效截留多价离子、有机小分子污染物，同时允许部分单价离子和水分子透过，广泛应用于饮用水净化、工业废水回用、盐分调控及有价资源回收等关键领域。然而，尽管当前主流聚酰胺（PA）纳滤膜在分离精度方面已达到较高水平，其应用仍面临“选择性-渗透性”之间的典型权衡难题。研究人员虽不断尝试通过优化单体结构、引入功能化纳米材料以及改进界面聚合工艺来提升膜性能，但由于其核心的二维（2D）薄膜复合结构未发生根本性革新，通量提升始终受限。

在此背景下，混合维度膜的概念为膜材料开发提供了新思路。通过将不同维度的功能结构有机结合，有望实现膜性能的协同增强。特别是将一维纳米通道与二维基膜整合的策略，理论上可以大幅增加单位投影面积的有效传质通道。然而，将膜构建块组织成一个混合维度的层次结构，既能促进快速的水转移，又能实现大规模、经济高效的生产，仍然是一个重大挑战

鉴于此，天津工业大学化学工程与技术学院武春瑞教授团队提出了一种基于混合维度结构的聚酰胺纳滤膜构筑新策略，并成功实现了该类膜材料的大面积、快速自组织制备。该团队采用经典的界面缩聚方法，通过在油-水界面引入两种功能性单体，一步法实现了二维纳米膜与一维纳米管的协同构筑，从而开发出具有独特层次结构的混合维聚酰胺膜。这种膜材料在室温条件下自组装形成，具备高度有序的一维纳米管垂直排列于二维基底之上的立体结构，大幅提升了单位投影面积的有效传质路径，为构建高通量、低能耗的纳滤系统提供了创新方案。

该膜在分离性能方面表现出色：其水通量高达约30.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，是传统平面聚酰胺膜的4倍以上，同时保持了与主流商业膜相当的阻盐性能。离子选择性测试结果显示，该膜对多种无机盐的截留效果遵循Na₂SO₄ > MgSO₄ > MgCl₂ > CaCl₂ > NaCl的趋势，表明膜表面带有负电荷，具有典型的多价优先分离行为（Donnan 排斥效应）。更为关键的是，该膜的渗透选择性超越了现有纳滤膜的性能上限，打破了传统材料在“选择性-通量”之间存在的权衡限制。

长期稳定性实验进一步验证了其应用潜力。即便在连续运行50小时的过滤条件下，该膜仍维持了优异的水盐分离性能，显示出良好的抗污染能力与运行稳定性。这一结构的关键优势在于：一维纳米管的大量垂直排列显著提升了膜的有效输水面积，实现了分子级筛分与高通量传质的协同统一。

机制研究方面，实验结合分子动力学模拟揭示了混合维膜形成的微观过程。在反应初期，两类小分子单体在油-水界面迅速自组装成具有规则纳米孔的二维网络，随后，毛细力驱动纳米孔内部单体沿垂直方向进一步聚合生成一维纳米管，从而实现了垂直排列的混合维结构。该过程无需复杂外场控制，可在常温条件下高效进行，展现出优异的可扩展性。

更重要的是，该方法兼容卷对卷涂布等工业化技术路线，为混合维度纳滤膜的大规模制备与实际应用提供了现实可行的路径，具备广泛的应用前景，尤其在饮用水净化、市政污水回用以及工业废水处理等领域。该工作不仅为构筑分层多尺度膜结构提供了新思路，更为界面缩聚反应中物理化学相互作用的协同机制提供了深刻理论见解，推动了膜材料设计由二维走向更复杂三维结构的跨越式发展。

该工作发表于国际知名期刊Nature Water上。

文献链接：Interfacial self-organization of large-area mixed-dimensional polyamide membranes for rapid aqueous nanofiltration (DOI: 10.1038/s44221-024-00348-w)

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