综述：用于减轻反渗透污染的先进膜改性技术：机制分析与实际应用

《Desalination》：Advanced membrane modifications for reverse osmosis fouling mitigation: mechanistic insights and practical applications

　　刘阳|赵芳波|林鹏|王凯旭|李志国|刘文楠|王若凡|梅宇师|朴希东•阐明了反渗透膜污染机制及多种污染物之间的协同作用效应。•评估了能够克服渗透性与选择性之间矛盾的先进改性方法。•分析了基底、表面、界面以及层间抗污设计。•指出了工业反渗透应用中存在的放大问题、稳定性问题以及生命周期成本问题。

引言
随着全球人口持续增长、工业化进程加快以及气候变化加剧，淡水短缺已成为21世纪面临的重大挑战[1]、[2]、[3]。在此背景下，海水淡化与废水回用被视为解决水资源危机、增加供水量的关键途径。自20世纪中叶实现商业化以来，反渗透膜技术凭借其高效、节能且无相变等优点，已成为全球海水淡化和废水回用领域的核心技术。反渗透膜密集的活性层几乎可以完全阻隔溶质通过，从而以经济高效的方式生产淡水，同时最大限度地实现宝贵资源的回收利用[4]、[5]、[6]。然而，反渗透膜固有的孔结构使得其在使用过程中容易在表面或孔隙内部积累大量污物，从而导致不可避免的污染问题，并降低膜的渗透选择性[7]、[8]。此外，间苯二胺和1,3,5-苯三羰基三氯化物会迅速聚合，形成致密厚实的聚酰胺层[9]。而该层本身亲水性不足且结构紧密，往往会导致较大的传质阻力以及相对较低的水通量。

传统反渗透膜的这些固有缺陷不仅限制了其分离效率和应用范围，还增加了系统的运行成本和能耗。由有机、无机、生物及胶体污染物引发的膜污染会显著降低水通量，增加清洗频率，缩短膜的使用寿命，进而直接影响水处理过程的经济可行性和可持续性[10]、[11]、[12]、[13]。此外，聚酰胺层较高的传质阻力与较低的渗透性，也凸显出传统反渗透膜在处理高盐度废水或复杂进水时的局限性。因此，在提升膜渗透选择性和运行稳定性的同时实现有效的污染控制，已成为反渗透技术发展的核心目标[14]、[15]、[16]、[17]。

为应对这些挑战，人们提出了多种多维度策略来减轻污染并提升反渗透膜的性能。这些策略包括基底改性、表面改性、添加剂调控的界面聚合以及新型反渗透膜的制备，其目的都是减少污染物在膜表面的吸附、沉积和繁殖，从而缓解性能下降问题，延长膜的使用寿命，并降低清洗频率[18]。这些创新旨在通过精确调控传统聚酰胺膜的表面性质、孔结构及化学成分，从根本上克服其性能瓶颈。基底改性侧重于优化多孔支撑层的孔径、孔径分布、孔隙率以及表面亲水性。通过对界面聚合过程中水相单体的扩散和分布进行精细控制，从而促使形成更薄、更均匀、更光滑的聚酰胺分离层[19]。表面改性则是提升抗污性能的一种直接有效方法[20]。该策略通过在现有的聚酰胺膜表面构建功能性保护层来实现，可通过表面接枝、涂层处理或物理化学处理方法，引入高亲水性的聚合物（如聚乙二醇或两性离子聚合物），或为膜表面赋予特定的化学性质和电荷特征[21]、[22]。通过增强水合效果、增加空间位阻或强化静电排斥力，这些改性措施能有效防止蛋白质、有机物、胶体及细菌等污物的吸附和沉积，进而显著延长膜的使用周期，减少频繁清洗的必要。添加剂调控的界面聚合则为传统的薄膜复合膜带来了重大进展。该方法的核心是在聚酰胺层内原位引入或分散功能性分子或纳米材料，如沸石、金属有机框架、共价有机框架、二氧化硅以及碳量子点等[23]、[24]、[25]、[26]。这些添加剂可作为快速的水传输通道，或调控分离层的表面性质，在不牺牲选择性的前提下显著提升水通量。此外，某些特定纳米材料（如二氧化钛和银纳米粒子）还能为膜赋予光催化自清洁或抗菌等功能，从而实现多功能的性能提升[27]、[28]。除了这些成熟的方法之外，还有多种新兴策略展现出巨大潜力，包括开发具有中间层的反渗透膜、溶剂辅助的界面聚合以及新型单体的设计[29]、[30]、[31]。

统计分析显示，2015年至2025年间，关于反渗透膜研究的论文发表数量呈持续增长趋势（见图1a），这反映出该领域越来越受到重视。值得注意的是，2025年的论文数量约为2015年的1.5倍，显示出对反渗透技术研究力度的持续加大。尽管在抗污反渗透膜材料及设计策略的开发方面已取得显著进展，但目前的研究大多仍局限于在理想实验室条件下进行的短期、单一污染物模拟测试。因此，对于实际复杂水环境中多种污染物相互作用的耦合机制，目前还缺乏相关分析。此外，对于具有潜力的新型界面改性方案及纳米结构设计在工业化放大过程中的稳定性问题，也还存在较大差距。基于全生命周期评估的全面成本、环境及生态影响分析也尚缺失（见表1）。本文系统地回顾并深入分析了当前用于控制反渗透膜污染及提升其多维度性能的最新策略（见图1b）。第2部分阐述反渗透膜污染行为与建模，第3部分探讨影响反渗透膜污染的因素，深入分析膜污染的耦合行为及其主要影响因素。第4部分介绍反渗透膜的抗污策略，第5部分则详细分析与基底改性、分离层表面工程、纳米添加剂协同界面聚合以及新型中间层设计相关的核心抗污机制及性能权衡问题。第6部分总结了用于膜制备和改性的新兴绿色技术。第7部分从工程角度系统评估了系统运行控制、工艺集成优化以及可持续技术经济性。最后，第8部分提出了该领域未来面临的工程挑战及技术发展路线图，强调了人工智能辅助研发、多策略协同优化以及标准化生命周期验证在推动下一代反渗透膜大规模应用中的关键作用。

节选内容
反渗透膜污染行为与建模
反渗透膜污染是限制膜处理工艺长期稳定运行的主要技术难题。从本质上讲，这一现象是指各种污染物在膜表面不断积累和沉积。当进水中的颗粒、胶体或具有不同理化性质的溶质大分子在过滤过程中吸附并沉积在膜表面时，就会导致膜的性能出现暂时性或永久性的下降。

影响反渗透膜污染的因素
由于反渗透膜是水处理系统的核心组件，其污染状况会直接影响系统的运行效率及膜的使用寿命。膜污染并非由单一因素引发，而是一个由多种相互作用变量驱动的复杂动态过程。总体而言，这一现象主要受三大因素影响：进水的特性、操作条件以及膜本身的固有属性（见图3）。

反渗透膜的抗污策略
为减轻膜污染，人们采用了多种策略，这些策略主要分为进料溶液预处理和膜改性两大类。膜改性则涉及对基底和选择性层的改进。进料预处理在反渗透系统中被广泛运用，旨在大幅提升进水水质，确保系统稳定运行，并延长膜的使用寿命。而膜改性则侧重于调整膜的表面性质，如化学成分等。

具有中间层的反渗透膜设计
近年来，开发具有功能性中间层的薄膜复合反渗透膜已成为克服传统聚酰胺膜所固有的渗透性与选择性矛盾的关键策略。研究表明，诸如金属有机框架和石墨烯氧化物之类的中间层，可以通过调控界面聚合动力学并优化水传输路径，显著提升膜的性能。一方面，中间层的纳米限制效应会阻碍单体的扩散，从而促进...

另一种策略
尽管中间层设计有效解决了反渗透膜的性能瓶颈，但研究人员仍在不断探索各种材料设计及制备策略，以应对日益复杂的应用场景。这些策略的核心目标依然一致，即通过精确调控界面聚合过程或设计新型结构，克服渗透性与选择性之间的矛盾，同时提升膜的化学稳定性及抗污能力。

膜清洗
清洗是减轻膜污染并恢复水通量的重要手段。在现代水处理应用中，膜清洗方式已从固定的间隔清洗模式，转变为根据跨膜压力和产水量的实时反馈来动态安排清洗时间[272]。此外，工程化的清洗策略还必须在追求最佳清洗效率与运营成本（如化学品消耗和能源消耗）之间找到平衡...

挑战与展望
综上所述，反渗透膜能否长期稳定运行，取决于溶质阻隔能力、水通量之间的固有平衡，以及多污染物共存所带来的各种挑战。本文系统评估了包括基底优化、表面功能化、纳米添加剂引入以及新型中间层构建在内的前沿改性策略。这些创新设计有效突破了传统膜的性能限制。

作者贡献说明
刘阳：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学、正式分析、概念构建。赵芳波：监督、资金获取、正式分析。林鹏：可视化、正式分析。王凯旭：可视化、监督、正式分析。李志国：可视化、监督、正式分析。刘文楠：可视化、正式分析。王若凡：可视化、正式分析。梅宇师：可视化、正式分析。朴希东：

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。

致谢
本研究得到了中国黑龙江省重点研发计划项目（GA23C005）、黑龙江省自然科学基金（LH2023E068）以及中国中央高校基本科研业务费（3072024LJ1004）的支持。