温度驱动水凝胶相分离构建高性能抗污染图案化膜：结构调控与流体动力学机制

针对传统水凝胶辅助相分离（HFPS）膜孔径过大、截留效率低的问题，研究人员提出温度调控策略，通过改变水凝胶中溶剂/非溶剂扩散速率和传输通道，精确构建不同结构的图案化膜。25°C制备的膜具有大孔径（372.5 kDa）和高通量（1177 LMH/bar），而10°C制备的膜展现小孔径（57.8 kDa）和高BSA截留率（99.53%）。结合梯形图案设计，通过CFD模拟揭示其抗污染机制源于剪切应力提升和涡流面积扩大（10.2%→71.4%），为水处理膜技术提供新思路。

　　

全球水资源短缺问题日益严峻，膜技术在废水处理和回用中扮演着关键角色。然而，膜污染问题——由有机物/无机污染物和生物膜的积累引发——严重制约了膜技术的应用效率。传统抗污染方法如表面化学修饰存在局限性，而图案化膜通过增加表面积和优化流体动力学特性展现出独特优势。然而，现有水凝胶辅助相分离（Hydrogel-facilitated phase separation, HFPS）技术制备的膜因孔径过大（30-90 nm），对500 kDa葡聚糖截留率不足20%，难以满足高效分离需求。

为解决这一瓶颈，重庆大学Zhongbo Zhou团队在《Journal of Membrane Science》发表研究，创新性地提出温度驱动HFPS策略。该团队发现温度不仅调控溶剂（DMAc）与非溶剂（水）的互扩散速率，还能改变水凝胶内部传输通道特性。通过系统比较10°C与25°C制备的聚醚砜（PES）膜，发现低温（10°C）条件下形成的膜具有更光滑表面、更厚皮层和更小截留分子量（MWCO 57.8 kDa），对牛血清白蛋白（BSA）截留率高达99.53%，同时保持918.46 LMH/bar的高通量。

关键技术包括：1）温度梯度HFPS装置构建；2）梯形图案模板复制技术；3）计算流体力学（CFD）模拟分析剪切应力与涡流分布；4）采用PEG和BSA进行截留性能测试。

研究结果

1. 温度对膜结构的影响：25°C制备的膜表面呈现显著结节结构，孔径达372.5 kDa；而10°C膜表面平滑，孔隙率降低，皮层厚度增加1.5倍。
2. 图案化设计抗污染机制：大尺寸梯形图案使剪切应力提升1-2个数量级，有效涡流区域占比从10.2%扩大至71.4%，显著降低污染物沉积。
3. 性能优化平衡：低温（10°C）制备的图案化膜实现高通量（>900 LMH/bar）与超高截留率（>99%）的协同提升。

结论与意义
该研究首次揭示温度通过双重路径调控HFPS过程：一是影响溶剂/非溶剂扩散动力学，二是改变水凝胶网络渗透性。通过建立温度-结构-性能关联模型，为图案化膜的精确设计提供理论依据。梯形图案的流体动力学优化设计，为抗污染膜开发开辟新方向。研究成果有望推动HFPS技术在海水淡化、医疗透析等领域的应用，助力实现联合国可持续发展目标（SDG 6）的清洁水供应。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加非文献支持内容；专业术语如LMH/bar指升/平方米·小时·巴，MWCO为分子量截留值）