基于己内酰胺调控的聚酰胺亚纳米腔工程构建高性能海水反渗透膜

为解决海水淡化过程中聚酰胺(APA)膜渗透性与选择性间的固有矛盾，天津科研团队创新性提出"链连接-分子解离-空腔构建"策略，通过界面聚合(IP)引入己内酰胺(CPL)调控苯环间距，成功制备出兼具59.85 L m?2 h?1高通量与99.70%截盐率的新型SWRO膜，为分子尺度膜结构设计提供新范式。

　　

全球淡水危机日益严峻，海水淡化技术成为解决水资源短缺的关键途径。作为核心技术，海水反渗透(SWRO)膜的性能直接决定淡化效率，其核心分离层——芳香族聚酰胺(APA)是通过间苯二胺(MPD)与均苯三甲酰氯(TMC)界面聚合形成的二维纳米薄膜。然而传统APA膜存在固有缺陷：苯环紧密堆积形成的网络结构中缺乏规整的亚纳米通道，导致水分子传输阻力大，表现为高通量与高截盐率难以兼得的"trade-off效应"。现有通过添加纳米材料构建水通道的改良方案，又面临颗粒团聚、机械稳定性差等挑战。

为突破这一瓶颈，中国的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表创新研究，提出通过小分子调控实现聚酰胺亚纳米结构的精准设计。研究采用宽角X射线散射(WAXS)、正电子湮灭寿命谱(PALS)结合分子动力学(MD)模拟等技术，系统探究了己内酰胺(CPL)对APA膜微观结构的调控机制。

材料与方法
研究以聚砜(PSf)为基膜，通过在MPD水相中添加不同浓度CPL，与有机相TMC进行界面聚合。利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证化学结构，原子力显微镜(AFM)表征表面形貌，WAXS分析苯环堆积距离，PALS测定自由体积尺寸分布，MD模拟揭示CPL作用机制，最后通过跨膜通量和NaCl截留率评价性能。

结果与讨论
Preliminary analysis of SWRO membranes
FTIR证实CPL通过酰胺键暂时性接入聚酰胺网络，随后水处理使其解离形成羧酸基团。AFM显示CPL修饰使膜表面粗糙度降低21.3%，有利于减少浓差极化。

Sub-nanoscale structural regulation
WAXS揭示CPL使苯环肩并肩堆积距离从3.8 ?扩展至4.2 ?，MD模拟表明其环状结构产生的空间位阻削弱了π-π堆积作用。PALS检测到自由体积半径从2.3 ?增至2.7 ?，且分布更集中。

Desalination performance
最优CPL-0.4膜在5.5 MPa、32,000 ppm NaCl条件下，水通量达59.85 L m^?2 h^?1，较对照组提升46.2%，同时保持99.70%截盐率。这种"分子造孔剂"策略避免了纳米材料添加导致的界面缺陷问题。

结论与意义
该研究开创性地利用CPL的可逆修饰特性，实现聚酰胺网络亚埃级精度的结构调控：首先通过"链连接"阶段暂时性扩大苯环间距，继而在"分子解离"阶段形成稳定空腔，最终构建出具有梯度亲水性的亚纳米通道。这种分子设计导向的膜工程策略，为发展高效低能耗海水淡化膜提供了新思路，其"原位构建-精准调控"的核心理念可拓展至其他分离膜设计领域。国家重点研发计划等项目的支持，彰显该成果对国家水资源战略的重要价值。