近日，我校材料科学与工程学院胡云霞教授团队在Nature子刊《自然-水》（Nature Water）以“Methylation of reverse osmosis membrane for superior antifouling performance via blocking carboxyl groups in polyamide”为题，发表了团队关于反渗透膜表面结构调控的研究论文。秦一文、齐鹏飞博士为文章第一作者，胡云霞教授为文章通讯作者，天津工业大学为唯一通讯单位。

反渗透（RO）膜在工业废水处理领域所面临的严重膜污染现象显著缩短了膜的使用寿命，增加其维护成本。鉴于此，天津工业大学胡云霞教授团队开发了一种创新策略，通过在界面聚合过程中将气态二甲胺（DMA）分子接枝到RO膜的聚酰胺（PA）上来甲基化RO膜，减少RO膜表面羧基含量，显著提升了RO膜的分离性能与耐污染性能。DMA改性膜的水渗透系数提升至3.84 L m^-2h^-1bar^-1，且对NaCl截留率保持在99.05%。RO膜表面甲基化有效减弱了膜表面与有机荷电小分子污染物之间的相互作用，避免了污染物堵塞膜孔造成的大幅通量衰减。基于此，改性膜表现出全面且出色的综合耐污性能，突破了其他文献报道耐污改性RO膜和商业化耐污RO膜所表现出的耐污性能上限。

图1.（a）RO膜表面DMA气相接枝过程示意图，（b）DMA与文献报道的其他材料在PA分离层上的接枝率对比，（c）对照RO膜和DMA改性RO膜表面的水解单元比例，（d，e）文献报道及本工作所制备RO膜在渗透选择性与综合耐污性能之间的trade-off效应对比

本研究结合实验和模拟手段，发现污染物分子在甲基化改性PA表面吸附量更少，吸附位置更浅，且吸附形成的滤饼层更为疏松，这有效抑制了污染物堵塞膜孔而造成的膜通量剧烈衰减。分子动力学模拟表明甲基化改性显著降低了PA膜表面与模型污染物分子之间的结合能，从而减弱了污染物向PA内吸附及堵塞的趋势。基于此，本研究指出通过减弱污染物与膜表面之间的相互作用，抑制有机小分子污染物渗透到PA结构内部造成膜孔堵塞，对于提高RO膜的耐污染性能至关重要。此外，团队从PA与污染物在分子水平上的相互作用机制出发，指出利用甲基化小分子材料构建低结合能表面是提高膜耐污性能的重要策略，这为RO膜的污染机制研究及耐污RO膜的表面结构设计提供了新的视角和理论指导。

图2. 阳离子型污染物DTAB和阴离子型污染物SDS在对照PA表面（a，b）和DMA接枝PA表面（c，d）吸附并渗透至PA内部的侧视图，（e）通过分子动力学模拟所计算对照PA和DMA接枝PA由堵孔造成的通量下降的百分比

本研究得到了日东电工株式会和国家自然科学基金的支持。

（审稿：材料科学与工程学院 张亚彬 编辑：党委宣传部 李焕峰）

图片来源：材料科学与工程学院