两亲性纳米线介导单体穿梭构建超选择性反渗透膜用于高效水净化

本研究针对反渗透(RO)膜对小分子中性有机污染物(SNOCs≤150 Da)去除效率低的关键问题，通过构建自组装的CdII/L-半胱氨酸纳米线固相界面，实现了对聚酰胺(PA)层结构的精确调控。该技术使MPD单体在有机相预富集，制备出SNOCs去除率高达97.9%、水通量提升4.5倍(3.6±0.1 L m-2 h-1 bar-1)的RO膜，成功突破了渗透性与选择性间的权衡效应，为水回用提供了创新解决方案。

　　

全球水资源短缺问题日益严峻，联合国可持续发展目标6(SDG6)明确提出要确保人人获得安全饮用水。反渗透(RO)技术作为海水淡化和废水回用的核心手段，其薄膜复合(TFC)聚酰胺(PA)膜虽具有优异的水-盐选择性，却对分子量≤150 Da的小分子中性有机污染物(SNOCs)去除效率低下(30-82%)，这主要源于PA选择层的结构异质性和纳米级缺陷。SNOCs如N-亚硝基甲基乙胺(NMEA)等具有高毒性且普遍存在于水体中，现有RO膜难以有效截留，严重制约了水回用安全性。

为解决这一难题，同济大学环境科学与工程学院的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果。研究提出利用自组装的Cd^II/L-半胱氨酸纳米线构建连续固相界面，通过精确调控界面聚合(IP)过程，开发出兼具高选择性和高渗透性的新型RO膜。该研究通过理论计算与实验验证相结合，系统阐明了纳米线两亲性驱动的自组装机制及其对膜性能的调控作用。

研究采用分子动力学(MD)模拟和第一性原理计算等关键技术方法，结合膜性能测试和表征技术，重点考察了纳米线自组装行为对PA层结构和膜分离性能的影响。实验使用200 μg L^-1的SNOCs溶液体系，通过GC-MS/MS和UPLC-MS/MS分析污染物截留率，在16 bar操作压力下评估膜性能。

【纳米线两亲性作为自组装关键】通过第一性原理计算证实Cd^II/L-半胱氨酸纳米线具有显著两亲性，其硫原子和羧基(-COOH)能与水和正己烷分子形成稳定氢键。电荷密度差和晶体轨道哈密顿布居(COHP)分析显示，这些相互作用能促进纳米线在水/油界面的自组装。

【Cd^II/L-半胱氨酸纳米线的界面自组装】MD模拟显示纳米线能在30 ns内完成从无序到有序界面的自组装，覆盖率从65.7%增至100%。氢键数量变化证实这是自组装的主要驱动力。SEM观察验证了纳米线在硅片表面可形成连续薄膜。

【纳米线调控RO膜的形貌】SEM和AFM分析显示，含0.05 wt%纳米线的RO-0.05膜形成典型"脊-谷"结构，表面粗糙度(Rq)达132.0 nm，显著高于对照膜(22.1 nm)。XPS检测到2.1%的Cd含量，证实纳米线成功整合入膜结构。

【RO膜性能】最优的RO-0.05膜水通量达3.6±0.1 L m^-2 h^-1 bar^-1，是对照膜的4.5倍；NaCl截留率94.4±1.4%，交联度95.2%。对9种SNOCs的平均去除率提升至97.9%，其中对NMEA的截留率从对照膜的56.2%提高到96.8%。48小时连续运行测试显示性能稳定。

【性能增强机制】表面面积比(SAR)增加和纳米线诱导的"导流效应"共同促进水通量提升，分别贡献2.4倍和2.1倍增强因子。纳米线界面通过氢键和静电作用吸附MPD单体，实现有机相预富集(MPD浓度提高3倍)，确保充分IP反应形成致密PA层。

该研究通过精确调控纳米材料自组装行为，创新性地解决了RO膜在SNOCs去除方面的技术瓶颈。Cd^II/L-半胱氨酸纳米线温和的合成条件和与容器无关的自组装特性，为规模化生产提供了可能。研究揭示的两亲性纳米线介导单体传输机制，不仅适用于水处理膜开发，也为其他界面调控的分离材料设计提供了新思路。这种兼顾高渗透性(3.6 L m^-2 h^-1 bar^-1)和高SNOCs截留率(97.9%)的膜技术，有望推动水回用技术的革新，对实现SDG6目标具有重要实践意义。