聚多巴胺夹层增强聚酰胺/陶瓷复合纳滤膜性能及多功能应用研究

为解决苛刻环境下膜分离技术的性能瓶颈，新加坡国立大学等机构研究人员通过引入聚多巴胺（PDA）夹层，在200 nm大孔陶瓷基底上成功构建了高性能聚酰胺（PA）/陶瓷复合纳滤膜（NF）。该膜展现出14.0 L m?2 h?1 bar?1的水通量、96.1% Na2SO4截留率及200 Da分子量截留能力，并在有机溶剂（乙醇1.1 L m?2 h?1 bar?1，甲醇4.8 L m?2 h?1 bar?1）和高温（80°C）、高压（10 bar）条件下保持稳定，为工业废水处理与溶剂回收提供了创新解决方案。

　　

随着全球水资源短缺和工业污染问题加剧，膜分离技术因其高效节能特性成为水处理和资源回收的核心手段。其中，纳滤膜（Nanofiltration, NF）凭借对200-1000 Da小分子和盐分的精准筛分能力，在海水淡化、废水回用等领域大放异彩。然而，传统聚酰胺（Polyamide, PA）薄层复合膜（Thin-film composite, TFC）的聚合物基底在高温、有机溶剂环境中易溶胀降解，严重制约其在化工、制药等苛刻工况的应用。陶瓷基底虽具备卓越的热稳定性和化学惰性，但纯陶瓷NF膜制备能耗高，而现有PA/陶瓷复合膜又因大孔陶瓷（100-200 nm）超亲水性和界面控制难题，难以形成无缺陷PA层。这一矛盾成为制约高性能NF膜发展的关键瓶颈。

新加坡国立大学与南洋理工大学的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，创新性地采用聚多巴胺（Polydopamine, PDA）夹层策略，成功在200 nm大孔陶瓷管上构建了高性能PA/陶瓷复合NF膜。研究人员通过PDA的π-π堆积和氢键作用增强基底粘附性，利用其醌基团与PA层共价交联，系统探究了PDA对PA层形貌调控机制及膜性能的影响。关键技术包括：1）PDA在陶瓷基底的原位自聚合；2）界面聚合（Interfacial polymerization, IP）优化；3）膜结构表征（场发射扫描电镜FESEM、原子力显微镜AFM）；4）跨膜性能测试（水通量、盐/染料截留率）。

Morphologies of membranes
FESEM显示PDA涂层使200 nm陶瓷管表面颜色加深（图1a-d），形成纳米级粗糙结构。AFM证实PDA将基底均方根粗糙度从23.4 nm降至8.7 nm，为PA层提供均匀反应界面。截面电镜显示无PDA时PA层出现孔洞缺陷，而PDA夹层使PA厚度从148 nm增至210 nm，形成致密交联网络。

Conclusions
研究证实PDA夹层通过三重作用机制提升膜性能：① 调控哌嗪（PIP）单体储存与扩散，延缓界面聚合速率，形成更厚更均匀的PA层；② 增强PA与陶瓷基底的化学键合，使膜在10 bar压力下通量衰减率降低67%；③ 在200 nm大孔基底上实现96.1% Na₂SO₄截留，突破传统IP技术限制。该膜在甲醇中染料（327.3 Da）截留率达91.4%，80°C高温下性能无衰减，显著优于现有聚合物基NF膜。

这项研究不仅为苛刻环境分离提供了新型膜材料，更开创了"大孔陶瓷+PDA调控"的低成本制备范式。通过揭示PDA对PA层生长的动态调控规律，为设计下一代耐溶剂、耐高温膜提供了理论依据。未来在制药废水处理、有机溶剂回收等领域的应用潜力巨大，有望推动膜技术向更极端工业场景拓展。