凝胶调控界面聚合法构建层级结构三醋酸纤维素反渗透膜用于海水淡化

针对三醋酸纤维素(CTA)基反渗透(RO)膜易压实、通量低且衰减快的问题，研究人员通过引入海藻酸钠(SA)凝胶层调控界面聚合(IP)过程，构建了层级结构RO膜。该膜在0.1 wt% SA凝胶添加量下实现96.87%脱盐率和15.78 L·m?2·h?1水通量，并展现700分钟稳定性和潜在耐氯性，为生物质基高性能RO膜开发提供新范式。

　　

随着全球城市化进程加速和极端气候频发，淡水资源短缺问题日益严峻。反渗透(RO)技术作为海水淡化的核心手段，其性能关键取决于膜材料的渗透性和脱盐能力。三醋酸纤维素(CTA)虽具有原料丰富、成本低廉、抗氧化等优势，但其RO膜始终面临渗透性与脱盐率"此消彼长"(trade-off)的困境——尤其是水通量普遍低于11.80 L·m^?2·h^?1，且传统界面聚合(IP)过程难以控制的快速反应易导致聚酰胺(PA)选择层出现结构缺陷。

针对这一挑战，广西大学Dongying Hu团队受皮肤表皮屏障层级结构启发，创新性地采用海藻酸钠(SA)凝胶作为中间层调控IP过程，成功制备出高性能CTA基RO膜。该研究通过将SA凝胶嵌入CTA基底（溶剂为DMSO）与PA层之间，利用凝胶网络中的氢键作用延缓苯二胺(MPD)扩散速率，使PA层形成更薄（约100 nm）且表面粗糙度适中的理想结构。相关成果发表在《Desalination》上，为解决生物质RO膜性能瓶颈提供了新思路。

研究主要采用凝胶调控界面聚合技术，通过SA浓度梯度实验优化中间层结构，结合FTIR、XPS验证化学组成，AFM和SEM表征形貌特征，并采用标准RO测试系统评估膜性能。

Strategy of CTA-based reverse osmosis membranes
通过SA凝胶网络与MPD的氢键相互作用，将MPD扩散速率降低至传统方法的1/3，使IP反应时间从秒级延长至分钟级。SA的3D网络结构同时作为"分子缓冲池"，促进形成交联度适中（约78%）的PA层。

Materials characterization
FTIR显示SA凝胶中-COO^-与MPD的-NH₂形成离子键；XPS证实PA层氮含量提升12.6%，表明更完整的胺基交联结构；接触角测试显示膜表面亲水性提升35%。

Desalination performance
含0.1 wt% SA的膜在2000 ppm NaCl溶液中实现96.87%脱盐率，水通量达15.78 L·m^?2·h^?1，较空白组提升33.7%。连续测试700分钟后通量仅衰减9.2%，显著优于传统CTA膜（衰减>25%）。

Free chlorine resistance
在500 ppm NaClO溶液中处理12小时后，优化膜通量逆势增长至17.80 L·m^?2·h^?1，研究者认为SA凝胶保护的PA层中未反应酰氯基团被次氯酸氧化为亲水性羧基所致。

Conclusion
该研究开创性地将生物凝胶引入RO膜制备领域，通过仿生层级结构设计解决了CTA膜"低通量-高脱盐"难以兼得的矛盾。SA凝胶中间层不仅实现IP过程的可控调节，其生物相容性还避免了纳米材料泄漏风险。特别值得注意的是，膜表现出的"越清洗越高效"特性（耐氯性）颠覆了传统PA膜怕氯的认知，为开发低成本、长寿命的生物质RO膜开辟了新路径。未来通过优化凝胶交联度和基底孔隙率，有望进一步突破生物质膜的性能极限。