综述：紧密超滤膜的研究进展：材料开发、性能提升与可持续应用

这篇综述系统总结了紧密超滤膜(TUF)的技术突破，重点分析了其介于超滤(UF)与纳滤(NF)之间的独特性能优势（MWCO 1-10 kDa，孔径<10 nm），涵盖材料设计（聚合物/陶瓷/杂化）、制备策略（相转化/溶胶-凝胶）及在纺织废水处理（染料/盐分离）、食品工业（蛋白纯化）等领域的可持续应用，特别强调了高通量（>18.5 LMH/bar）与低能耗特性对实现SDG 6和12目标的贡献。

　　

紧密超滤膜的技术革新与跨领域应用

定义与特性突破

紧密超滤膜(TUF)作为UF与NF之间的过渡技术，凭借1-10 kDa的分子量截留(MWCO)和<10 nm的精确孔径分布，实现了传统膜技术难以企及的"选择性渗透"平衡。通过对比γ-Al₂O₃/α-Al₂O₃陶瓷膜与聚醚砜(PES)聚合物膜的性能参数发现，前者在10 bar压力下可获得70 LMH的超高通量，而改性Torlon/SPPSU中空纤维膜更展现出117.6 LMH/bar的渗透率与99.9%染料截留率的完美结合。这种性能飞跃得益于材料科学领域的三大突破：溶胶-凝胶法制备的介孔γ-Al₂O₃活性层使孔径偏差控制在±0.8 nm；快速共沉积技术将聚多巴胺(PDA)/聚乙烯亚胺(PEI)修饰层的厚度缩减至62 nm；而MoS₂纳米片的嵌入则通过二维纳米通道效应将水通量提升150%。

材料革命与结构创新

在膜材料领域，混合基质膜(MMM)正引领技术潮流。以GO-TiO₂/PES体系为例，当GO负载量达0.6 wt%时，膜表面接触角从78°骤降至24°，同步实现194.5 LMH的通量和89.4%牛血清蛋白(BSA)截留率。陶瓷膜方面，通过瞬态热冲击烧结技术，α-Al₂O₃膜的制备周期从传统72小时缩短至45分钟，且平均晶粒尺寸控制在35 nm以下，使拉伸强度提升至280 MPa。特别值得注意的是分层结构设计——如Hosseinzadeh团队开发的γ/α-Al₂O₃分级膜，其5.81 nm的主介孔与280 nm的次大孔协同作用，使渗透率较传统膜提高3倍。

性能优化关键发现

跨膜压差(TMP)与截留率的非线性关系揭示了TUF膜的独特传输机制。当操作压力从2 bar增至10 bar时，PDA-PEI/ZIF-L@PET膜的NaCl透过率从97.1%微降至95.8%，而刚果红截留率始终保持在>99%，这种近乎"全通-全阻"的分离特性源于表面电荷的Donnan效应。针对膜污染难题，AMPS-PANI改性膜通过两性离子结构实现90.6%通量恢复率，其机理在于-Zwitterionic基团形成的水合层使污染层结合能降低42%。在酸性废水(pH=2)处理中，ZrO₂杂化膜展现出惊人的稳定性——连续运行500小时后，截留性能波动<3%，这得益于Zr-O键高达586 kJ/mol的结合能。

行业应用范式转变

纺织废水处理领域见证了TUF膜的革命性贡献。Lin等开发的集成TUF/双极膜电渗析(BMED)系统，仅消耗4.23±0.12 kWh·kg^-1能量即可实现>99.6%染料回收与>99.4%盐分透过，较传统工艺节能67%。食品工业中，采用AgNP修饰的陶瓷TUF膜(MWCO 9000 Da)使乳清蛋白的截留率从82%跃升至99.5%，同时将膜清洗频率从每周3次降至每月1次。更引人注目的是在制药领域，COF-LZU1/PVP/PVDF膜对三氯乙酸(2,4,6-TCA)的截留率>90%，且通量达19.4 LMH，为活性药物成分(API)的纯化开辟了新路径。

未来挑战与技术路线

尽管取得显著进展，三大瓶颈仍待突破：①纳米粒子分散技术，如0.6% GO-TiO₂杂化膜中仍存在13%的团聚体；②规模化生产矛盾，实验室级γ-Al₂O₂膜每平方米成本高达300美元；③生命周期评估(LCA)缺失，特别是纳米复合材料的环境归趋尚不明确。解决方案已初现端倪：3D打印技术可将中空纤维膜的生产效率提升20倍；生物基材料如壳聚糖-纤维素复合膜使碳足迹降低58%；而人工智能辅助的分子动力学模拟(MD)正加速理想孔径结构的虚拟筛选。这些创新共同推动TUF膜向"精准筛分、零污染、负碳排"的下一代膜技术迈进。