北京時間 4 月 19 日，南京理工大學環境與生物工程學院張軒教授團隊在Science（《科學》）發表題爲 "More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination" 研究論文，在反滲透膜領域取得新突破，對反滲透行業的發展具有裏程碑意義。
姚宇健博士爲論文第一作者，張軒教授、東北師範大學王憲澤副教授、美國耶魯大學化學與環境系 Menachem Elimelech 教授爲論文共同通訊作者，南京理工大學爲第一通訊單位。南京理工大學孫飛、張雯、李猛、沙剛、滕龍等人爲論文共同作者。
海水淡化作爲唯一能從源頭上實現淡水資源開源性增量的技術，是解決全球水源短缺問題的首要選擇，也是重塑我國 " 水安全 " 規劃的重要組成部分。近年來，《中國制造 2025》《海水淡化利用發展行動計劃（2021-2025 年）》等政策文件的出台也已明确将海水淡化産業納入國家重大戰略規劃。
目前主流商業海水淡化膜的類型是複合聚酰胺薄膜（TFC-PA）, 其中美國杜邦公司、海德能公司、日本東麗等公司的産品占據全球市場絕大多數份額。盡管 TFC-PA 膜具有出色的 " 溶質 - 水 " 分離性能，但其在實際淡化工藝過程中仍面臨諸多挑戰。學界普遍認爲目前制約反滲透領域發展的因素有四點：滲透性與選擇性之間的權衡；對中性小分子的去除率不足；易受有機 / 無機物污染；對活性氯等氧化劑的耐受性低等問題。
針對上述膜材料在應用場景中的真實工程問題，張軒教授研究團隊于 2014 年開始布局反滲透膜領域的材料革新，開展了大量應用基礎研究。以提高膜材料化學耐受性爲出發點，解析了傳統反滲透膜結構在活性氯攻擊下的降解路徑，發現了聚酰胺型膜材料化學結構的 " 自證陷阱 "，進而提出了一類聚酯型反滲透膜材料，從實驗與模拟兩方面共同論證了新結構的 " 本體耐氯 " 特性。
新一代聚酯反滲透膜的分離性能，耐污染及長期海水淡化運行性能數據
基于上述研究基礎，團隊将目光鎖定于聚酯分離膜材料體系，并持續開展了結構創制與技術革新。設計并合成了一類間苯二酚衍生物— 3,5- 二羟基 -4- 甲基苯甲酸（DHMBA），借助 " 共溶劑輔助 " 界面聚合的制膜方法，提高了反應物從水相遷移至有機相的擴散速率，構建了無缺陷、且具有優異 " 水 / 鹽選擇性 " 的三維網絡聚合物薄膜結構，驗證了材料優異的反滲透基礎分離性能（與 Dupont 公司 SW30 系列海淡膜相當）。進一步的模型實驗研究結果表明，DHMBA 型聚酯反滲透膜材料在脫硼率、耐氯性、抗有機污染、抗無機結垢等海水淡化關鍵評價指标方面均表現出色，綜合性能在多維度超越行業标杆。
獨特的分子結構與巧妙的制備工藝共同造就了 DHMBA 型聚酯反滲透膜的優異性能。其中，羧基與酚羟基賦予了反應物的自聚合特點，1,3,5- 三取代的結構抑制了苯環的直接氯化反應路徑，而甲基的引入則提供了空間位阻，增大了模型化合物的扭轉勢能（DFT 論證），從而延緩了酯基在堿性條件下的水解。進一步的表征分析表明新膜材料活性層的厚度遠低于商業膜，且表面粗糙度僅爲 2.36 ± 0.32 nm。聚合物的高交聯度及封端技術減少了膜表面的官能團數量，阻礙了硼酸分子在膜内的擴散、降低了污染物在膜面的附着概率，強化了材料的抗污染特性。最後，由于 DHMBA 型聚酯反滲透膜沿用了現有商用膜的生産工藝，提升了其規模化生産的可行性，這對反滲透行業的發展具有裏程碑意義。
論文在投稿過程中也得到了來自編輯和審稿人的共同認可。審稿人認爲："這是一份高質量的工作，描述了令人印象深刻的膜設計與制備方法。尤其是與行業标準 SW30 膜相比，新膜材料的具有的氯穩定性、對無機晶體沉積的抵抗力和抑制作用 ( This is very high quality work, and the paper describes a membrane formulation that has impressive performance metrics ( especially chlorine stability compared to an industry-standard SW30 membrane, resistance to inorganic crystal deposition, and boron rejection ) "；" 聚酯膜可能能與最先進的聚酰胺反滲透膜競争主流市場，這代表了自 80 年代 Film Tec 發明以來反滲透膜研究的裏程碑前進 ( It appears to be the first polyester membrane that could eventually compete with, or even outperform state-of-the-art polyamide RO membranes, representing a milestone advance for the RO research ( since the invention of Film Tec in the 80s ) "。
上述研究得到了國家自然科學基金及江蘇省自然科學基金的資助。此外，研究工作還得到了中科院化學研究所張平霞研究員、東北師範大學霍明昕教授、南開大學曹天池副教授、韓國高級科學技術研究所 Chan hee Boo 教授的指導和幫助。南京理工大學分析測試中心提供了部分測試及技術支持。相關技術已申請中國發明專利 2 項，并獲授權（ZL 201911277839.9，ZL 201911270642.2）。
論文第一作者：姚宇健，南京理工大學環境與生物工程學院博士生（2016 – 2021），博士後創新計劃獲得者。以第一作者作者身份在 Science, Nat. Sustain., Environ. Sci. Technol. 等期刊發表 SCI 收錄論文 5 篇。主持國家及省部級自然科學基金等科研項目 2 項。
通訊作者：張軒，南京理工大學環境與生物工程學院教授、博士生導師，研究方向爲水處理分離膜的材料革新與過程理論。先後主持國家及省部級科研項目 10 項，企業合作研發課題 3 項，入選 Journal of Membrane Science 期刊編委。以第一 / 通訊作者身份在 Science, Nat. Sustain., J. Membr. Sci., Environ. Sci. Technol. 等期刊發表 SCI 收錄論文 58 篇，編寫英文專著 2 部，授權中國發明專利 8 項。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0632
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