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2026
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JMS｜缺陷工程赋能的共价亲水化策略实现共价有机框架膜高通量与抗污染性能的统一
作者：
英文题目
Defect-enabled covalent hydrophilization reconciles high permeability and antifouling in covalent organic framework membranes
缺陷工程赋能的共价亲水化策略实现共价有机框架膜高通量与抗污染性能的统一
期刊信息
期刊名称：Journal of Membrane Science
发表日期：2026年3月11日（在线发表）
DOI号：
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2026.125381
摘要内容
本研究提出了一种基于缺陷工程的表面亲水化策略，在保持共价有机框架（COF）膜本征高渗透选择性的同时，显著提升其抗污染性能。研究团队通过可控缺陷工程向COF框架中引入可调含量的游离氨基（-NH₂），这些氨基作为锚定位点，通过EDC/NHS介导的偶联反应将富含羟基的葡萄糖酸链共价接枝到膜表面。通过*调控缺陷含量，实现了亲水链接枝密度的准确控制，从而在膜表面形成通过氢键与水分子相互作用的稳定水化层。该水化界面有效抑制了污染物粘附，且未牺牲COF膜的本征渗透性能。优化后的dCOF-40-OH膜展现出123.8 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹的高水通量，对泵油乳液的抗污染性能显著增强，通量恢复率达96.4%，总通量下降率仅11.8%，不可逆通量下降率为8.2%。同时，该膜对多种染料/盐体系表现出优异的分离性能，其中铬黑T（EBT）/NaCl和EBT/Na₂SO₄的分离因子分别高达186和168。该工作为COF基纳滤膜在高渗透性、强抗污染能力和*染料/盐分离之间的性能平衡提供了合理有效的策略。
研究背景与意义
纺织印染工业是全球工业废水污染的*主要来源之一，其废水排放量大、成分复杂，含有染料、无机盐和表面活性剂等多种污染物，对水资源可持续利用构成严峻挑战。传统物理化学处理方法（如混凝、氧化、吸附）存在能耗高、二次污染严重、对复杂染料/盐混合体系选择性差等问题。压力驱动纳滤技术因其低能耗、高分离精度和温和操作条件，在资源回收和高附加值物质再利用方面展现出巨大潜力。近年来，共价有机框架（COF）膜因其可*调控的结构特征而备受关注——通过合理设计有机单体尺寸和结构，可实现孔径的*调控，规则分子排列允许在分子水平上*定位功能基团，为构建*分离的功能化膜表面奠定基础。此外，COF膜本征具有高孔隙率和有序通道，有利于水分子的快速有序传输，从而实现高渗透性。然而，高渗透速率往往会加剧浓差极化效应，导致污染物在膜/溶液界面富集，从而引发或加速膜污染；在实际压力驱动操作中，水分子的快速传输也会促进污染物在膜表面的紧密吸附，使膜难以长期保持优异的渗透性能。因此，对于高渗透分离COF膜而言，开发有效抑制污染物吸附和积累的表面抗污染策略，已成为其实际工程应用的关键挑战。表面亲水化改性被认为是有效的通用策略——亲水表面优先与水分子相互作用，通过氢键或静电作用形成稳定的水化层，有效防止污染物与膜表面的直接接触。但COF膜刚性且高度有序的共价骨架提供的可及反应位点极少，这种"结构精度高但功能灵活性受限"的内在矛盾制约了COF膜的发展。此前研究提出的"缺陷工程"策略通过调控二醛与单醛单体比例，可在保持整体COF框架的同时引入结构缺陷，原位生成可调含量的游离氨基。本研究正是基于这一思路，将传统上被视为"结构缺陷"的位点转化为"功能设计"的优势，通过共价接枝富含羟基的糖酸链，在COF膜表面构建稳定的亲水界面，从而解决了高渗透性与抗污染性难以兼得的难题，为COF膜的实际应用开辟了新的技术路径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/4C25HRWD7hPsRpZ-4fnf5g
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