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2026

EST｜面向健康饮用水的选择性矿物质保留的致密聚酯纳滤膜定制

作者：

英文题目

Tailoring Dense Polyester Nanofiltration Membranes for Selective Mineral Retention in Health-Oriented Potable Water Production

面向健康饮用水的选择性矿物质保留的致密聚酯纳滤膜定制

期刊信息

期刊名称：Environmental Science & Technology

发表日期：2025年

DOI: 10.1021/acs.est.5c18578

摘要内容

保留水中**矿物质（如 Ca²⁺、Mg²⁺）对生产健康、口感良好的饮用水至关重要。然而，传统聚酰胺纳滤膜存在矿物质盐截留率过高、氯耐受性差以及易结垢等问题。尽管聚酯纳滤膜本身具有耐氯性，但其在安全、富含矿物质的饮用水制备中缺乏所需的选择性。本研究采用 3,5-二羟基苯甲酸（DHBA）作为水相单体，并引入十二烷基硫酸钠（SDS）辅助界面聚合，通过增强跨界面反应物扩散，制备出孔径分布均匀的高选择性致密聚酯纳滤膜。优化后的 SAIP-DHBA-0.125 膜水通量达 8.3 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，水/Na₂SO₄ 和 CaCl₂/Na₂SO₄ 选择性分别为 42.7 和 177.7，并表现出优异的抗结垢和耐氯性能。在处理实际高硬度自来水时，该膜产水符合《健康饮用水水质标准》（T/BJWA 001-2021），同时保留 Ca²⁺（37.6 mg·L⁻¹）和 Mg²⁺（56.3 mg·L⁻¹），比 NF270 膜高出约 55%。在 96 小时运行中，膜通量保持约 96.0%，总溶解固体截留率稳定，展示了其在可持续健康饮用水生产中的潜力。

研究背景和意义

反渗透膜在家庭净水和瓶装水生产中广泛应用，但其对二价阳离子的近完全去除会导致矿物质缺乏，与心血管疾病、骨质疏松等健康风险相关。纳滤膜因其能在去除污染物的同时保留有益矿物质，逐渐成为饮用水净化的优选。然而，现有聚酰胺纳滤膜在氧化稳定性方面存在明显短板，尤其对消毒过程中活性氯的耐受性差，需额外预处理，既不经济也不环保。聚酯膜因其本征耐氯性成为潜在替代方案，但传统界面聚合难以制备出致密且选择性高的聚酯膜，限制了其在饮用水处理中的应用。本研究通过 SDS 辅助界面聚合策略，利用 DHBA 单体，成功制备出兼具高选择性、高渗透性和优异稳定性的聚酯纳滤膜，解决了当前聚酯膜在矿物质保留和分离精度方面的不足。

实验步骤

采用 SDS 辅助界面聚合（SAIP）技术制备聚酯纳滤膜，以聚醚砜（PES）超滤膜为基底。将 PES 基底浸入含 2.0%（w/v）DHBA 和不同浓度 SDS（0.51、1.02、2.04 mM）的水相溶液（pH 10）中 5 分钟，取出后用橡胶辊去除表面多余液滴。随后将 0.1%（w/v）均苯三甲酰氯（TMC）的正己烷溶液倾覆于膜表面反应 2 分钟，倒去有机相后用正己烷洗涤去除未反应单体。所得膜记为 SAIP-DHBA-X，其中 X 表示 SDS 浓度。对照组膜采用相同工艺但不添加 SDS，记为 IP-DHBA。制备后的膜在 4°C 水中保存待用。

主要结果和结论

SAIP-DHBA-0.125 膜表现出**分离性能，水通量为 8.3 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，Na₂SO₄ 截留率达 99.6%，CaCl₂ 截留率仅 28.9%，水/Na₂SO₄ 和 CaCl₂/Na₂SO₄ 选择性分别高达 42.7 和 177.7，优于多数聚酰胺及聚酯膜及商业 NF270 膜。在 1500 分钟结垢测试中，该膜通量保持率高于 NF270；在 12,000 ppm·h 氯暴露后，Na₂SO₄ 截留率仍保持在 99.0% 以上，结构无明显变化。处理实际自来水时，其产水水质达标，Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 保留量显著高于 NF270，并在 96 小时连续运行中保持约 96% 通量，TDS 稳定，表现出优异运行稳定性。

详细机理

SDS 的加入显著促进了 DHBA 单体从水相向有机相的扩散，增强了其与 TMC 的反应速率，使形成的聚酯活性层更薄、更致密、表面更光滑且孔径分布更均匀。该结构赋予膜**的分子筛分能力，同时膜表面富含羧基，增强了负电性和亲水性，通过静电吸引促进了 Ca²⁺ 等二价阳离子的选择性透过。聚酯主链中缺乏易氯化的氨基位点，结合羧基的电子吸引效应和空间位阻，使膜具备优异耐氯性。此外，膜的高 CaCl₂/Na₂SO₄ 选择性有效抑制了石膏等难溶盐在膜表面的结晶和沉积，从而显著提升了抗结垢性能。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/vDm98BbS36a2h6BZuyFYjw