《Chemical Engineering Research and Design》：Dopamine modified porous polyethylene support to enable fabrication of high permeance polyamide membrane for organic solvent forward osmosis
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引言零液排放（ZLD）正日益被各行业采用，通过废水处理和回用消除液体排放物，这是由严格的环保法规和水资源短缺所驱动的（Tong和Elimelech，2016）。在制药生产中，ZLD尤为关键，因为在活性药物成分（APIs）的合成、纯化和结晶过程中，产生的废水具有高有机负荷，化学需氧
引言
零液排放（ZLD）正日益被各行业采用，通过废水处理和回用消除液体排放物，这是由严格的环保法规和水资源短缺所驱动的（Tong和Elimelech，2016）。在制药生产中，ZLD尤为关键，因为在活性药物成分（APIs）的合成、纯化和结晶过程中，产生的废水具有高有机负荷，化学需氧量（COD）为5000–50,000 mg L?1（Kotwani等，2023）。这些废水流通常含有废弃有机溶剂和难降解化合物，可能抑制常规生物处理过程，因此在下游处理前需要去除或回收溶剂。然而，焚烧和蒸馏等传统处理方法能耗高且对环境有不利影响（ANON.（n.d.））。基于膜的分离工艺，包括渗透汽化（PV）（Srishti等，2025）、有机溶剂纳滤（OSN）（Rundquist等，2012；Szekely等，2014）、有机溶剂反渗透（OSRO）（Dong等，2020）和有机溶剂正向渗透（OSFO）（Cui和Chung，2018）已成为节能的替代方案，能耗降低高达90%（约1-2 kWh/m3），并能回收高价值溶质（Lively和Sholl，2017）。其中，OSFO对于浓缩（> 5 wt%）或热敏性含API料液尤其有利，因为它以渗透压而非液压作为驱动力，避免热暴露，在保持高运行稳定性的同时最大限度地减少不可逆污染（Takada等，2024a）。
尽管具有潜在优势，OSFO的更广泛应用受到高性能耐溶剂膜稀缺性的制约。在多孔基底上通过界面聚合形成聚酰胺选择性阻隔层的薄膜复合（TFC）膜在反渗透应用中已得到充分验证。然而，将其直接用于有机溶剂正向渗透系统时，多孔支撑层内会发生内部浓差极化（ICP），这会降低有效渗透驱动力（膜两侧的渗透压梯度）并限制溶剂通量（Gray等，2006）。此外，常用的多孔支撑材料如聚醚砜（PES）、聚砜（PSf）、聚丙烯腈（PAN）在许多有机溶剂中缺乏足够的化学稳定性，尤其是极性非质子溶剂和卤代溶剂（Kappert等，2019）。
为了解决这一挑战，交联聚酰亚胺（PI）支撑材料因其优异的耐溶剂性而被广泛探索（Li等，2018）。虽然交联增强了化学稳定性，但它限制了孔的可及性，增加了曲折度，并加剧了ICP，导致溶剂传输严重受限（Wei等，2021a；Yu等，2023）。PI的这些固有局限性表明，化学耐受性本身不足以作为支撑材料适用性的标准，缓解ICP需要根本不同的支撑结构设计（Piash和Sanyal，2023）。因此，开发一种兼具化学稳定性和低厚度，且孔结构能够最大限度地减少ICP的聚合物支撑材料，是OSFO膜设计中的核心挑战。
多孔聚乙烯（PE）膜已成为OSFO有前景的支撑材料，因为其各向同性特性（缺乏致密表面层）提供了固有高孔隙率、低曲折度和开放、互连的孔网络，这些特征有利于缓解ICP（Park等，2018a）。此外，其小厚度（8-20 μm）进一步减小了ICP。这些材料已被大规模严格开发和优化，因为它们广泛用作锂离子电池和其他电池的隔膜，使其成为OSFO膜制备中成本效益高且可扩展的选择（Babiker等，2023）。
然而，PE的固有疏水性阻碍了界面聚合过程中无缺陷阻隔膜的形成，因此妨碍了其作为聚酰胺TFC膜支撑材料的直接使用。这需要表面改性策略来充分利用其结构优势。等离子体处理等策略已被探索以克服这一限制，但它们常常导致改性不均匀，并且在长时间暴露下会损伤PE结构（Kwon等，2017）。另一种方法是中间层设计，其中使用聚乙烯醇（PVA）或单宁酸（TA）等亲水性聚合物来引入表面亲水性，但这通常需要额外的交联步骤，增加了制备复杂度并损害可扩展性（Wang等，2024a；Nitin M等，2024）。最近，受贻贝启发的多巴胺改性已被应用于各种疏水性支撑材料，如聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乙烯（PE），以实现成功的表面改性（Kwon等，2019；Xi等，2009）。这是一种有吸引力的方法，因为多巴胺在碱性条件下自发聚合成聚多巴胺（PDA），并容易粘附到多种支撑材料上，从而在一次浸泡步骤中赋予亲水性和官能团（Hemmatpour等，2023）。然而，PDA涂层膜经常导致显著的渗透性损失（20-50%）（Kwon等，2019；Kasemset等，2017）。这可归因于传统的浸泡式涂层方法，这些方法通常产生部分阻塞孔口的PDA层，导致水力阻力增加。这种附加功能性与渗透性之间的权衡在正向渗透系统中尤其不利，因为溶剂通量不仅取决于聚酰胺选择性层上的渗透驱动力，还取决于支撑层的结构特征。但最近的研究表明，薄且受控的PDA层可以改善膜的润湿性，因为邻苯二酚和胺官能团的存在增强了溶剂渗透并减少了溶剂通过膜孔的传输阻力（Chang等，2023）。因此，有助于保持支撑层固有孔隙率和渗透性的涂层策略非常重要。在传统的PES或PSf多孔支撑材料中，替代策略如通过从底部用N?/O?气体回填并在顶部暴露多巴胺溶液在膜孔内形成惰性物理屏障，有助于减轻多巴胺溶液渗入孔中，保持支撑材料渗透性（Cihano?lu等，2022；Onuk等，2025）。然而，这些方法主要将改性限制在外表面，内部孔网络几乎没有或没有功能化（Jia等，2024）。
为了解决这些挑战，我们提出了一种搅拌介导的各向异性涂层方法，可以调节多孔结构内的PDA沉积并实现孔壁亲水化。搅拌增强了氧传输和多巴胺聚合动力学，同时调节了颗粒-表面相互作用（Su等，2016；Zhou等，2014）。它还可以通过剪切诱导的重新分布或松散结合的低聚物的部分脱附来限制过量的PDA积累。这种方法利用搅拌增强的毛细管芯吸作用实现双重效益，即保持支撑材料渗透性以实现高溶剂通量，以及增强润湿性以实现均匀的聚酰胺形成。
在本研究中，系统研究了多巴胺涂层时间对多孔PE支撑材料亲水性和渗透性的影响。随后，研究了支撑材料改性对聚酰胺膜形成的影响，以及所得膜在溶剂通量和PEG-400截留率方面的性能。这些膜在OSFO中的功效以乙醇中的四环素作为进料溶液，乙醇中的PEG 400作为驱动溶液进行了验证。最后，通过从实验室小样（~30 cm2）放大到较大面积模块（240 cm2）以及初步的原材料成本分析，评估了该方法的转化潜力。总体而言，本研究为用于溶剂回收应用的化学稳定、低成本的PE支撑TFC膜提供了一条途径。
章节摘要
材料
多孔聚乙烯（PE）膜（厚度16 μm）购自Müller Ahlhorn GmbH。3-羟基酪胺盐酸盐（多巴胺）（>98%）购自Tokyo Chemical Industry。三（羟甲基）氨基甲烷（Tris；99.8%）购自Acros Organics。均苯三甲酰氯（TMC，98%）和间苯二胺（MPD，99.0%）购自Sigma Aldrich。盐酸溶液（0.1 M）购自Bernd Kraft GmbH。硫酸镁（≥ 99%）、葡萄糖（99%）和蔗糖（≥ 99%）
结果与讨论
本部分介绍了为正向渗透设计制备薄膜复合（TFC）膜并在有机介质中评估其可行性的系统研究结果。疏水性聚乙烯（PE）支撑材料首先用多巴胺改性以使其更亲水，这有助于在界面聚合（IP）过程中形成均匀的聚酰胺（PA）膜。多巴胺涂层对PA选择性膜的形成和结构的影响
结论
在本研究中，我们开发了一种搅拌辅助多巴胺涂层策略，用于在多孔聚乙烯（PE）支撑材料上制备高渗透性、耐溶剂的薄膜复合（TFC）正向渗透膜。多巴胺沉积过程中的温和搅拌促进了贯穿孔道的亲水化，而非静态涂层典型的表面限制改性，将PE支撑材料的水渗透性从150提高到280 LMH·bar?1。这种均匀亲水化且化学活性的
CRediT作者贡献声明
Subhankar Basu: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，方法学，概念化。Neelam Sarmah: 写作 – 初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Prashanth Suresh Kumar: 写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，项目管理，方法学，形式分析，概念化。Mathias Ulbricht: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作期间，作者使用了Grammarly和ChatGPT进行语言编辑，以提高稿件的清晰度和可读性。使用这些工具后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。
致谢
本研究由印度莫哈利Plaksha大学与德国杜伊斯堡-埃森大学合作支持。作者感谢Malini Balakrishnan博士（Plaksha大学）对整个项目方法的投入和指导。作者还感谢Pascale Wünscher（杜伊斯堡-埃森大学）在过滤池制备方面的协助，以及Kateryna Loza博士（无机化学与杜伊斯堡-埃森纳米集成中心，
Neelam Sarmah|Subhankar Basu|Mathias Ulbricht|Prashanth Suresh Kumar
