反渗透膜的多功能表面工程处理，以提高其抗污染和抗结垢性能，从而实现废水的高效再利用

《Journal of Membrane Science》：Versatile surface engineering of reverse osmosis membranes to enhance the anti-fouling and scaling resistance for efficient wastewater reuse

本研究提出了一种基于光引发自由基聚合（PRP）的简便策略，通过界面聚合将zwitterion brushes接枝于反渗透膜表面，显著提升膜的水/NaCl选择性（21.4 bar?1，对照组四倍）和抗污染性能（BOSS达98.8%），并验证了其在工业废水处理中的长期稳定性和规模化生产可行性。

　　这项研究围绕着反渗透（RO）膜技术在工业废水处理中的应用展开，重点解决膜污染这一长期存在的技术瓶颈。随着全球人口的增长和工业化进程的加快，淡水资源日益紧张，使得RO膜技术成为一种重要的解决方案。RO膜技术因其环境友好性、能源效率和与混合系统的兼容性而受到广泛关注，尤其是在海水淡化和工业废水回用领域。然而，传统RO膜由于其疏水性和负电荷表面特性，容易积累污染物，导致膜分离效率下降和使用寿命缩短，同时增加了维护成本。因此，开发具有长期抗污染能力的RO膜成为推动该技术广泛应用和可持续发展的关键。

为了应对上述问题，研究人员提出了一种简便的光引发自由基聚合（PRP）策略，结合界面聚合技术，实现对膜表面的带电刷（zwitterion brushes）接枝。这种策略在不改变原有膜结构的基础上，通过引入特定的光引发剂，对膜表面进行化学修饰，从而显著提升其抗污染和抗结垢性能。研究结果表明，采用PRP策略制备的膜表现出优异的水/NaCl选择性，其水通量达到2.4 L·m?2·h?1·bar?1，同时NaCl截留率高达99.5%。此外，该膜在面对不同类型的污染时表现出出色的性能，如对于牛血清白蛋白（BSA）的通量恢复率达到97.4%，对于模拟石膏的通量恢复率达到98.8%，对于二氧化硅的通量恢复率达到94.0%。这一表现远超大多数已报道的RO膜和知名的BW30膜。

更进一步，该膜在处理工业二级出水时，其通量恢复率仍保持在98.3%，优于对照组的88.7%和BW30膜的93.1%。这一优异性能主要归因于膜表面的高亲水性和低电负性，这有助于形成稳定的水化层，从而增强膜的抗污染能力。同时，研究人员还通过分子级别的计算模拟，揭示了PRP策略在实现带电刷接枝过程中的关键作用。这些接枝不仅显著提升了膜的表面亲水性，还通过增强水化层的稳定性，有效提高了膜的抗污染性能。PRP策略在纳米过滤和商用RO膜中的广泛应用潜力，使其成为一种具有前景的表面改性方法。

本研究的创新点在于将光化学反应与带电材料的功能化相结合，为工业规模的膜应用提供了新的思路。传统的RO膜制备方法中，虽然已有多种改性手段，如物理涂覆和化学接枝，但这些方法往往存在操作复杂、反应周期长、反应条件苛刻等缺点，限制了其在大规模生产中的应用。相比之下，PRP策略具有更低的反应温度、更高的效率、更快的反应速率和更好的可扩展性，使其成为一种更简便、高效的改性手段。研究人员选择了苯并菲酮（BP）及其衍生物作为光引发剂，这些物质在紫外光照射下能够从聚合物中提取氢原子，形成自由基，进而引发自由基聚合反应，形成共价交联。其中，4,4′-二氨基苯并菲酮（DABP）因其独特的分子结构，不仅具备高效的光聚合引发能力，其氨基基团还能与残留的酰氯基团发生反应，从而实现对膜表面的固定。

通过将DABP引入到新生的聚酰胺（PA）层表面，并结合紫外光照射，研究人员成功实现了聚-SBMA带电刷的接枝。这种接枝过程不仅提高了膜的亲水性，还降低了其电负性，从而显著增强了膜的抗污染和抗结垢性能。研究还发现，PRP策略在提升膜的长期运行稳定性方面同样表现出色，这使得该膜在复杂工业废水处理中具有极大的应用潜力。此外，研究人员还通过一系列实验验证了该策略的有效性，包括对膜表面结构、化学性质以及性能的分析，确保了其在实际应用中的可靠性。

本研究不仅在技术层面取得了突破，还在理论层面提供了对膜污染机制的深入理解。通过结合光化学和带电材料的功能化，研究人员探索了膜污染的形成过程，为开发高效的抗污染膜提供了新的思路。这一研究的成果表明，通过合理的表面改性，可以显著提升RO膜的性能，使其在实际应用中更加高效和稳定。同时，该研究也为未来膜技术的发展指明了方向，即通过创新的改性方法，提升膜的抗污染能力，从而实现更广泛的工业应用。

在实际应用中，这种新型RO膜展现出良好的适应性和稳定性，能够在不同的水质条件下保持高效的分离性能。无论是面对高盐度的海水，还是复杂的工业废水，该膜都能有效应对污染问题，确保系统的稳定运行。此外，该膜在化学清洗条件下的稳定性也得到了验证，表明其能够经受住实际操作中的各种挑战，为长期运行提供了保障。这种稳定性不仅提升了膜的使用寿命，还降低了维护成本，使RO膜技术在实际应用中更具经济性和可行性。

研究人员还强调了该策略在工业生产中的重要性。传统的化学接枝方法虽然在提升膜性能方面具有一定的优势，但其操作复杂性和反应条件的苛刻性限制了其在大规模生产中的应用。相比之下，PRP策略的简便性和高效性使其更适用于工业生产环境。通过引入UV照射模块，研究人员能够在现有的工业标准IP设备基础上，实现对膜表面的快速改性，这不仅提高了生产效率，还降低了生产成本。此外，该策略的可扩展性也使其在不同类型的膜制备中具有广泛的应用前景，为未来膜技术的多样化发展提供了支持。

本研究的成果不仅在实验室条件下得到了验证，还在实际应用中展现出良好的性能。通过结合光化学和带电材料的功能化，研究人员成功开发出一种具有高效抗污染能力的RO膜，为工业废水处理提供了一种新的解决方案。这种膜的性能不仅优于传统RO膜，还显著优于大多数已报道的抗污染膜，表明其在实际应用中的优越性。此外，该研究还为未来的膜技术发展提供了理论支持和技术路径，使得RO膜技术在面对复杂水质条件时更加可靠和高效。

综上所述，这项研究通过引入PRP策略，成功实现了对RO膜表面的改性，提升了其抗污染和抗结垢能力。这种策略不仅具有操作简便、反应条件温和等优点，还展现出良好的可扩展性和应用潜力，为工业废水处理提供了一种新的解决方案。随着全球水资源问题的加剧，这种新型RO膜的应用将有助于提升水处理效率，减少污染带来的影响，为可持续发展提供支持。未来，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，这种PRP策略有望在更多领域得到应用，为膜技术的发展开辟新的道路。