中美科研团队在反渗透膜领域取得新进展，有望推动海水淡化技术革新

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北京时间4月19日，国际知名期刊《科学》以“More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination”为题，重点介绍了南京理工大学环境与生物工程学院张轩教授团队在反渗透膜领域所取得的最新突破。该研究由南京理工大学、东北师范大学环境学院以及美国耶鲁大学的Menachem Elimelech教授共同完成，南京理工大学的姚宇健博士担任论文的首席作者。

海水淡化技术，作为唯一能从源头上实现淡水资源增量化的方法，已成为全球水源短缺问题的关键解决方案，同时也在重塑我国“水安全”战略中扮演着重要角色。近年来，随着《中国制造2025》及《海水淡化利用发展行动计划（2021-2025年）》等政策的出台，海水淡化产业已被正式纳入国家重大战略规划。

目前，市场上主流的商业海水淡化膜是复合聚酰胺薄膜（TFC-PA），其中美国杜邦、海德能以及日本东丽等公司的产品占据了全球市场的绝大部分份额。尽管TFC-PA膜在“溶质-水”分离方面表现出色，但实际应用中仍面临诸多挑战，如渗透性与选择性的平衡、对中性小分子的去除率不足、易受有机/无机物污染，以及对活性氯等氧化剂的耐受性低等问题。

针对上述问题，南京理工大学环境与生物工程学院张轩教授的研究团队自2014年起开始致力于反渗透膜材料的创新研究。他们以提高膜材料的化学耐受性为目标，深入探讨了传统反渗透膜在活性氯攻击下的降解机制，揭示了聚酰胺型膜材料在化学结构上的“自证陷阱”。基于此，他们设计出了一种新型的聚酯型反渗透膜材料，并通过实验与模拟双重验证了该材料所具备的“本体耐氯”特性。

在先前研究的基础上，团队进一步探索了聚酯分离膜材料体系，推动了结构创新与技术升级。他们精心设计并合成了一种间苯二酚衍生物——5-二羟基-4-甲基苯甲酸（DHMBA）。通过采用“共溶剂辅助”界面聚合技术，成功提高了反应物从水相到有机相的扩散速度。这一创新举措构建了一种无缺陷、具有出色“水/盐选择性”的三维网络聚合物薄膜，其反渗透基础分离性能堪比Dupont公司SW30系列海淡膜。
深入的实验研究显示，DHMBA型聚酯反渗透膜在海水淡化的多个关键评价指标上均表现出色，如脱硼率、耐氯性、抗有机污染以及抗无机结垢等。其综合性能在多个维度上均超越了行业标杆。这种独特的分子结构与精湛的制备工艺共同铸就了DHMBA型聚酯反渗透膜的卓越性能。其中，羧基与酚羟基的引入使得反应物具有自聚合特性，而1,3,5-三取代的结构则有效抑制了苯环的直接氯化反应路径。此外，甲基的加入提供了空间位阻，增大了模型化合物的扭转势能（经DFT论证），从而延缓了酯基在碱性条件下的水解。

进一步的表征分析表明，新膜材料活性层的厚度远低于商业膜，且表面粗糙度仅为36±32 nm。高交联度及封端技术的应用减少了膜表面的官能团数量，这不仅阻碍了硼酸分子在膜内的扩散，还降低了污染物在膜面的附着概率，进一步强化了材料的抗污染特性。值得一提的是，DHMBA型聚酯反渗透膜继承了现有商用膜的生产工艺，这为其规模化生产带来了更多可能性，对反渗透行业的未来发展具有深远影响。
在论文的投稿过程中，它也赢得了编辑和审稿人的高度赞誉。审稿人盛赞道：“这是一项高水平的研究，详细介绍了具有出色性能的膜材料制备方法。特别是与业界标准的SW30膜相比，新膜材料在氯稳定性、抗无机晶体沉积以及硼酸去除率方面均表现出卓越性能。”另一审稿人更是认为，“聚酯膜有望挑战最先进的聚酰胺反渗透膜的主导地位，这标志着自80年代Film Tec技术诞生以来，反渗透膜研究领域的重要里程碑。”
该研究不仅获得了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助，还得到了多位知名专家学者的指导和帮助。其中，中科院化学研究所的张平霞研究员、东北师范大学的霍明昕教授、南开大学的曹天池副教授以及韩国高级科学技术研究所的Chan hee Boo教授都为该研究提供了宝贵的意见和支持。此外，南京理工大学分析测试中心也为此研究提供了专业的测试及技术支持。目前，该研究已成功申请并获得授权中国发明专利2项，专利号分别为ZL 20191127789和ZL 20191127062。

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