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2026

JMS: “砖与水泥”的灵感,新型聚酰胺膜实现高效除硼与稳定海水淡化

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背景

在全球淡水资源日益紧缺的背景下，海水与苦咸水淡化成为保障饮用水供给的重要途径。然而，尽管反渗透（RO）技术已成为主流的脱盐方法，硼的去除仍是难题。在天然水体中，硼主要以中性硼酸（H₃BO₃）形式存在，分子体积小、*性弱，易随水分子穿透RO膜，导致饮用水中硼浓度超标，危及生态与健康。国际标准对硼含量要求严——WHO限定饮用水中硼含量低于0.5 mg/L，欧盟标准更严格至1.0 mg/L以下。然而，传统RO膜对硼的去除率仅为30–80%，尤其在pH中性环境下表现更差。已有改进方法如表面改性、纳米填料掺杂虽能提升选择性，但普遍存在通量下降、分散不均、结构不稳等问题，如何在保证高通量的同时实现高效除硼，仍是膜科学界长期未解的挑战。

创新

近日，新加坡国立大学钟台生院士、陈兴铂教授团队提出一种受启发于“砖–水泥”结构的界面工程策略，通过在聚酰胺（PA）层中引入“砖状”与“水泥状”纳米构筑单元，实现高通量与高选择性兼得的除硼膜设计。

“砖”：单层剥离的层状双氢氧化物（LDH）纳米片

LDH纳米片以原子级厚度、丰富羟基位点为特征，作为“砖”嵌入PA层，可重塑膜的微观结构，提供优异的亲水性与选择性吸附界面。

“水泥”：植酸掺杂聚苯胺（PAni）功能胶联体

PAni经植酸掺杂后具有高电荷密度与强亲水性，可在“砖”之间起到胶联作用，形成连续的自由体积通道，加速水分子通过并阻止硼酸渗透。

协同效应：结构重构与分子筛分并行

这种“砖–水泥”式复合结构使膜表面接触角降至36°（显著提高润湿性），形成约400 nm厚的致密选择层。结果，膜在15 ppm硼与2000 ppm NaCl溶液中实现81.95%硼去除率与99.25%盐截留率，水通量达2.76 LMH·bar⁻¹；在真实海水淡化渗透液（1.5 ppm硼、250 ppm NaCl）中，硼去除率进一步提升至87.3%，并在连续运行400小时后仍保持稳定性能。

分子动力学验证：

模拟显示膜内存在相互连通的自由体积网络，为水分子提供快速通道，同时形成能量屏障抑制硼酸与盐离子通过，揭示了“结构有序化—传输调控”的微观机理。

意义

这项研究通过“砖–水泥”式界面构筑思路，为膜分离领域的结构工程化设计提供了新的范式。

科学意义：

揭示了纳米复合结构在调控水分子通道构型与选择性吸附行为中的关键作用，实现了从分子尺度理解硼酸传输机制，为RO膜的界面工程提供理论依据。

技术意义：

该膜兼具高水通量、高除硼率与长效稳定性，在不牺牲脱盐性能的前提下实现了高选择性分离，突破了传统RO膜的性能平衡瓶颈。

应用前景：

该“砖–水泥结构聚酰胺膜”可直接应用于苦咸水淡化、海水除硼、饮用水净化及工业废水处理等场景，为全球安全供水与可持续淡化提供了切实可行的新途径。