超高压抗压实交联复合反渗透膜的开发与应用研究

本研究针对反渗透(RO)膜在高压操作下普遍存在的压实(compaction)问题，开发了一种新型薄膜交联(TFX)复合膜。通过将相转化法制备的多孔聚酰亚胺(PI)支撑膜进行交联，再界面聚合形成聚酰胺(PA)活性层，构建了全热固性复合膜结构。该膜在200 bar超高压下仍能保持90%以上的水通量，对180,000 mg/L NaCl溶液维持99%的脱盐率，显著优于商业高压RO膜。这一突破为海水淡化、高盐废水处理等高压应用提供了更耐用的膜材料选择。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，反渗透(RO)技术已成为海水淡化和水回用的核心解决方案。然而，传统薄膜复合(TFC)膜在高压操作时面临一个长期存在的瓶颈问题——膜压实(compaction)。这种由支撑层塑性变形导致的性能衰减，不仅降低产水效率，还缩短膜使用寿命。特别是在海水淡化、高盐废水浓缩等需要200 bar超高压的场合，商业RO膜往往出现70%以上的通量损失。

针对这一挑战，由Jishan Wu、Javier A. Quezada-Renteria等跨国团队在《Nature Communications》发表研究，开发出具有超高压抗性的薄膜交联(TFX)复合RO膜。该研究创新性地采用"全热固性"设计理念：首先通过相转化法制备聚酰亚胺(PI)多孔支撑膜，再用1,6-己二胺(HDA)进行原位或异位交联，最后通过界面聚合形成聚酰胺(PA)活性层。这种双重交联结构使膜在机械强度和抗压实性能上取得突破。

研究团队运用了三个关键技术方法：一是优化相转化参数（PI浓度16%-22%、溶剂/共溶剂比例1:1-3:1）制备多孔支撑膜；二是开发原位/异位化学交联工艺将PI转化为热固性材料；三是采用含三乙胺(TEA)的界面聚合体系增强PA层交联度。通过对比商业高压RO膜和实验室自制聚砜(PSU)-TFC膜，系统评估了TFX膜的性能优势。

支撑膜性能优化

研究首先对比了交联前后PI支撑膜的力学性能。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实交联成功将酰亚胺键转化为酰胺键（1780 cm^-1峰位移至1634 cm^-1）。拉伸测试显示交联PI的强度达14-19 MPa，是传统PSU支撑膜的4-5倍。通过调节相转化条件，获得了孔径范围可控（平均孔径半径10-50 nm）的支撑膜，其水通量在1 bar下比PSU膜稳定50%以上。

TFX膜抗压实性能

核心发现体现在200 bar超高压测试中：最佳性能的i-TFX-20%-3:1膜仅出现<10%的水通量(A值)下降，而商业HPRO膜损失达70%。盐 rejection(R_ob)在200 bar下仍保持99.02±0.25%，且盐渗透性(B值)随压力升高而降低，表明PA层结构在高压下更致密。原位SEM观察显示，TFX膜在120 bar下厚度仅减少2.9%，而TFC膜减少37%。

界面聚合优化

引入三乙胺(TEA)改良的t-TFX膜展现出最佳综合性能：60 bar下通量0.65 LMH/bar，200 bar时仍保持0.59 LMH/bar。X射线光电子能谱(XPS)证实其PA层交联度高于常规TFX膜。这种优化使单级操作即可浓缩盐水至180 g/L NaCl，比传统多级系统节能约9.7 kWh/m3。

讨论部分指出，该研究的创新价值体现在三个方面：一是首次实现全热固性RO膜设计，通过共价交联网络抵抗塑性变形；二是开发可规模化生产的原位交联工艺，与现有卷对卷生产线兼容；三是为高盐废水处理提供更经济的解决方案。作者建议未来研究可探索更多交联化学（如UV固化）和聚合物体系，进一步优化通量-选择性平衡。这项突破不仅解决了RO领域长期存在的压实难题，也为其他高压膜过程提供了新材料设计思路。