研究背景
反滲透膜（RO膜）是廢水處理、水回用和海水淡化等領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵材料。與傳統(tǒng)的膜材料相比，反滲透膜具有高效的水分離和鹽分去除能力，廣泛應(yīng)用于飲用水生產(chǎn)和工業(yè)水處理。然而，傳統(tǒng)的聚酰胺反滲透膜通常依賴于有毒的胺類單體（如間苯二胺），這些單體在膜的生產(chǎn)過程中可能對環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害，尤其是呼吸系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的毒性。此外，浸出到環(huán)境中的有毒物質(zhì)還可能對生態(tài)系統(tǒng)造成長期的污染和負(fù)面影響。這些問題引發(fā)了對反滲透膜材料安全性和可持續(xù)性的廣泛關(guān)注。
為了解決這些問題，蘇州大學(xué)朱玉長教授和靳健教授合作在“Nature Water”期刊上發(fā)表了題為“Sustainable polyester thin films for membrane desalination developed through interfacial catalytic polymerization”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)提出并設(shè)計(jì)了一種新的界面催化聚合（ICP）策略，采用天然植物提取物（如單寧酸）替代傳統(tǒng)的有毒胺類單體，成功開發(fā)出無毒且環(huán)保的聚酯薄膜材料。與傳統(tǒng)的聚酰胺膜相比，該材料不僅具有較好的鹽分去除性能，還具有較低的毒性和環(huán)境影響，顯著提升了膜的可持續(xù)性和安全性。
本文通過引入水溶性催化劑十六烷基三甲基氯化銨（CTAC），該團(tuán)隊(duì)成功提升了聚合反應(yīng)的效率，促進(jìn)了天然單寧酸和三聚氯化苯甲酰的界面反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了聚酯膜的高效制備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法制備的膜在淡化性能上表現(xiàn)出色，NaCl截留率高達(dá)99.2%，通量達(dá)到31.7 L m?2 h?1，且在樣品膜和螺旋卷膜模塊的兩種尺度上均與商業(yè)化反滲透膜（BW30膜）相當(dāng)。該研究為膜材料的可持續(xù)發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，展示了天然衍生材料在膜淡化技術(shù)中的應(yīng)用潛力，為未來的環(huán)保型膜材料研究奠定了基礎(chǔ)。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次采用界面催化聚合（ICP）策略，利用天然提取的單寧酸（TA）和無毒、環(huán)境友好的水溶性催化劑CTAC，成功開發(fā)了用于膜淡化的聚酯薄膜。通過該方法，TA與三聚氯化苯甲酰（TMC）在界面上進(jìn)行聚合反應(yīng)，形成了均勻致密的聚酯薄膜，解決了天然單體反應(yīng)性差的問題。
（2）實(shí)驗(yàn)通過分子動力學(xué)模擬、TEM和其他表征方法，分析了ICP與傳統(tǒng)界面聚合（IP）生成的聚酯薄膜的差異。結(jié)果顯示，ICP生成的膜具有更小的孔隙和更致密的結(jié)構(gòu)（約40 nm），而IP膜的孔徑約為10 ?，膜厚度為242 nm。ICP方法不僅增強(qiáng)了單體的擴(kuò)散性，還通過界面催化作用提高了反應(yīng)速率和膜的致密性。
（3）實(shí)驗(yàn)通過膜的性能測試，驗(yàn)證了ICP制備的膜具有優(yōu)異的淡化性能。NaCl截留率高達(dá)99.2%，通量為31.7 l/m2·h（15 bar），與商業(yè)化BW30膜的性能相當(dāng)。該膜在樣品和螺旋卷膜模塊尺度下均表現(xiàn)出良好的性能，展示了其在實(shí)際膜淡化中的應(yīng)用潛力。
圖文解讀
圖 1. TA 基聚酯膜的制備及結(jié)構(gòu)表征
圖 2. ICP 機(jī)制的研究
圖 3. TA 基聚酯膜的脫鹽性能和防污性能
圖 4. 中試規(guī)模膜和模塊的制備和性能
結(jié)論展望
本文的研究提供了一種新的思路和方法，以解決傳統(tǒng)反滲透膜材料中使用有毒胺類單體帶來的健康和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。通過引入天然植物衍生的單寧酸（TA）和界面催化劑CTAC，實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了天然化合物的有效聚合，成功制備出具有優(yōu)異性能的聚酯薄膜。這一創(chuàng)新不僅克服了天然酚類化合物反應(yīng)性差的問題，還提高了膜的結(jié)構(gòu)密實(shí)度和分離性能，展現(xiàn)了高效的鹽截留和水通量。
該研究啟示我們，天然衍生材料在膜技術(shù)中的應(yīng)用具有巨大的潛力，尤其是在推動環(huán)保、綠色化學(xué)的方向上。采用界面催化聚合（ICP）策略，不僅為反滲透膜的可持續(xù)發(fā)展提供了新路徑，也為其他領(lǐng)域中天然化合物的應(yīng)用提供了借鑒。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善和天然材料選擇的多樣化，可能會有更多無毒、低成本的膜材料涌現(xiàn)出來，推動膜技術(shù)在水處理和資源回收等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這為解決全球水資源短缺問題提供了新的可能。
原文詳情：
Liu, Y., Fang, W., Yue, Z. et al. Sustainable polyester thin films for membrane desalination developed through interfacial catalytic polymerization. Nat Water (2025).
https://doi.org/10.1038/s44221-025-00419-6
