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北京時(shí)間4月19日，Science（《科學(xué)》）以“More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination”為題，報(bào)道南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院張軒教授團(tuán)隊(duì)在反滲透膜研究方向的重要進(jìn)展（論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0632）。姚宇健博士為論文第一作者，張軒教授、東北師范大學(xué)王憲澤副教授、美國耶魯大學(xué)化學(xué)與環(huán)境系Menachem Elimelech教授為論文共同通訊作者，南京理工大學(xué)為第一通訊單位。南京理工大學(xué)孫飛、張?chǎng)?、李猛、沙剛、滕龍等人為論文共同作者?/p>

海水淡化作為唯一能從源頭上實(shí)現(xiàn)淡水資源開源性增量的技術(shù)，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(guī)劃的重要組成部分。近年來，《中國制造2025》《海水淡化利用發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025年）》等政策文件的出臺(tái)也已明確將海水淡化產(chǎn)業(yè)納入國家重大戰(zhàn)略規(guī)劃。

目前主流商業(yè)海水淡化膜的類型是復(fù)合聚酰胺薄膜（TFC-PA）,其中美國杜邦公司、海德能公司、日本東麗等公司的產(chǎn)品占據(jù)全球市場(chǎng)絕大多數(shù)份額。盡管TFC-PA膜具有出色的“溶質(zhì)-水”分離性能，但其在實(shí)際淡化工藝過程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。學(xué)界普遍認(rèn)為目前制約反滲透領(lǐng)域發(fā)展的因素有四點(diǎn)：滲透性與選擇性之間的權(quán)衡；對(duì)中性小分子的去除率不足；易受有機(jī)/無機(jī)物污染；對(duì)活性氯等氧化劑的耐受性低等問題。

針對(duì)上述膜材料在應(yīng)用場(chǎng)景中的真實(shí)工程問題，張軒教授研究團(tuán)隊(duì)于2014年開始布局反滲透膜領(lǐng)域的材料革新，開展了大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究。以提高膜材料化學(xué)耐受性為出發(fā)點(diǎn)，解析了傳統(tǒng)反滲透膜結(jié)構(gòu)在活性氯攻擊下的降解路徑，發(fā)現(xiàn)了聚酰胺型膜材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的“自證陷阱”，進(jìn)而提出了一類聚酯型反滲透膜材料，從實(shí)驗(yàn)與模擬兩方面共同論證了新結(jié)構(gòu)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(yùn)行性能數(shù)據(jù)

基于上述研究基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)將目光鎖定于聚酯分離膜材料體系，并持續(xù)開展了結(jié)構(gòu)創(chuàng)制與技術(shù)革新。設(shè)計(jì)并合成了一類間苯二酚衍生物—3,5-二羥基-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(yīng)物從水相遷移至有機(jī)相的擴(kuò)散速率，構(gòu)建了無缺陷、且具有優(yōu)異“水/鹽選擇性”的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物薄膜結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了材料優(yōu)異的反滲透基礎(chǔ)分離性能（與Dupont公司SW30系列海淡膜相當(dāng)）。進(jìn)一步的模型實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，DHMBA型聚酯反滲透膜材料在脫硼率、耐氯性、抗有機(jī)污染、抗無機(jī)結(jié)垢等海水淡化關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)方面均表現(xiàn)出色，綜合性能在多維度超越行業(yè)標(biāo)桿。

獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)與巧妙的制備工藝共同造就了DHMBA型聚酯反滲透膜的優(yōu)異性能。其中，羧基與酚羥基賦予了反應(yīng)物的自聚合特點(diǎn)，1,3,5-三取代的結(jié)構(gòu)抑制了苯環(huán)的直接氯化反應(yīng)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(zhuǎn)勢(shì)能（DFT論證），從而延緩了酯基在堿性條件下的水解。進(jìn)一步的表征分析表明新膜材料活性層的厚度遠(yuǎn)低于商業(yè)膜，且表面粗糙度僅為2.36±0.32 nm。聚合物的高交聯(lián)度及封端技術(shù)減少了膜表面的官能團(tuán)數(shù)量，阻礙了硼酸分子在膜內(nèi)的擴(kuò)散、降低了污染物在膜面的附著概率，強(qiáng)化了材料的抗污染特性。最后，由于DHMBA型聚酯反滲透膜沿用了現(xiàn)有商用膜的生產(chǎn)工藝，提升了其規(guī)模化生產(chǎn)的可行性，這對(duì)反滲透行業(yè)的發(fā)展具有里程碑意義。

論文在投稿過程中也得到了來自編輯和審稿人的共同認(rèn)可。審稿人認(rèn)為：“這是一份高質(zhì)量的工作，描述了令人印象深刻的膜設(shè)計(jì)與制備方法。尤其是與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SW30膜相比，新膜材料的具有的氯穩(wěn)定性、對(duì)無機(jī)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(jìn)的聚酰胺反滲透膜競(jìng)爭(zhēng)主流市場(chǎng)，這代表了自80年代Film Tec發(fā)明以來反滲透膜研究的里程碑前進(jìn)(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(xué)基金及江蘇省自然科學(xué)基金的資助。此外，研究工作還得到了中科院化學(xué)研究所張平霞研究員、東北師范大學(xué)霍明昕教授、南開大學(xué)曹天池副教授、韓國高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所Chan hee Boo教授的指導(dǎo)和幫助。南京理工大學(xué)分析測(cè)試中心提供了部分測(cè)試及技術(shù)支持。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)中國發(fā)明專利2項(xiàng)，并獲授權(quán)（ZL 201911277839.9，ZL 201911270642.2）。

論文第一作者：姚宇健，南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院博士生（2016–2021），博士后創(chuàng)新計(jì)劃獲得者。以第一作者作者身份在Science, Nat. Sustain., Environ. Sci. Technol.等期刊發(fā)表SCI收錄論文5篇。主持國家及省部級(jí)自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目2項(xiàng)。

通訊作者：張軒，南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗幚矸蛛x膜的材料革新與過程理論。先后主持國家及省部級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng)，企業(yè)合作研發(fā)課題3項(xiàng)，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(fā)表SCI收錄論文58篇，編寫英文專著2部，授權(quán)中國發(fā)明專利8項(xiàng)。