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Polymer｜基于两性离子SBMA的纳滤膜：合成技术、抗污染机制与未来展望

作者：

综述题目

Zwitterionic SBMA-based nanofiltration membranes: Synthesis techniques, antifouling mechanisms, and future perspectives

基于两性离子SBMA的纳滤膜：合成技术、抗污染机制与未来展望

• 期刊名称：Polymer

• 发表日期：2025年8月22日（在线发表）

• DOI号：10.1016/j.polymer.2025.128944

摘要内容

膜分离技术在高水通量、有效溶质截留和抗污染性之间平衡方面面临持续挑战。在全球水资源日益紧缺的背景下，纳滤（NF）已成为一种稳健且可持续的水净化解决方案。在此背景下，磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）作为一种同时具有阳离子和阴离子官能团的两性离子聚合物，因其*的亲水性和电中性而备受关注。这些特性促进了致密水化层的形成并引入了空间位阻效应，从而*减轻了膜污染。本综述系统概述了污染现象，并根据污染物与膜表面相互作用的独特机制，将其分为四大类：有机污染、无机污染（结垢）、胶体污染和生物污染。全面考察了SBMA的化学性质、形貌和集成策略，详细介绍了聚合物膜和薄膜复合膜的表面涂层、表面接枝和物理共混方法。大量实例强调了两性离子功能化对分离性能的变革性影响，在抗污染行为、通量恢复和溶质截留方面均有*改善。最后，讨论了优化两性离子膜系统以满足全球水处理迫切需求所面临的剩余挑战和潜在机遇。通过阐明关键的结构-性能关系和突出创新的材料工程途径，本综述旨在指导下一代SBMA基膜在水和废水处理应用中实现更高的耐久性、效率和可持续性。

综述背景和意义

全球水危机日益严峻，超过20亿人生活在水资源紧张地区，预计到2050年将有48-57亿人面临季节性缺水。纳滤技术因其适中的操作压力（介于反渗透和超滤之间）和高分离效率，成为水处理领域的关键技术，广泛应用于饮用水生产、市政和工业废水处理、资源回收等领域。然而，膜污染——包括有机污染、无机结垢、胶体污染和生物污染——导致通量下降、操作压力升高、维护成本增加，严重制约了纳滤技术的实际应用和推广。传统抗污染策略如原水预处理、操作条件优化和定期化学清洗效率低下且资源密集。在此背景下，两性离子聚合物因其超亲水性、电中性和*的抗污染特性成为 promising 的解决方案。其中，磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）因合成简单、化学稳定性好、生物相容性优异且成本相对低廉，成为*受关注的研究对象——它能结合7-8个水分子（远超PEG的1个），形成更稳定致密的水化层。本综述系统总结了SBMA基纳滤膜的污染机制分类、合成策略、抗污染机理和应用进展，为解决膜污染这一瓶颈问题提供全面理论指导，对推动下一代高性能水处理膜的发展具有重要意义。

综述内容

一、膜污染机制分类

本综述将膜污染系统分为四大类：

有机污染：天然有机质（NOM）是纳滤膜污染的主要来源，包括腐殖酸（HA）、富里酸（FA）等，通过静电作用、疏水作用和氢键与膜表面结合，形成致密滤饼层导致不可逆污染；生物聚合物（如多糖、蛋白质）则形成凝胶层阻塞水通道。

无机污染（结垢）：CaCO₃、CaSO₄、MgSO₄、BaSO₄和SiO₂等矿物盐在膜表面过饱和结晶析出，尤其SiO₂溶解度阈值约120 mg/L，超过后发生聚合形成凝胶状沉积物。

胶体污染：1 nm至1 μm的胶体颗粒（二氧化硅、金属氧化物、黏土矿物等）在膜表面累积形成致密滤饼层，疏水膜更易受胶体污染，大粒径和负电荷胶体污染较轻。

生物污染：细菌、藻类、病毒及其胞外聚合物（EPS）在24-48小时内快速形成生物膜，即使99.9%微生物被去除，残余细胞仍可增殖，导致膜通道完全堵塞，是*难控制的污染类型。

二、SBMA的独特抗污染特性

抗聚电解质效应（APE）：SBMA聚合物刷在纯水中因分子内/分子间静电作用呈塌缩构象，接触高盐溶液后盐离子破坏偶极-偶极连接，刷层伸展增强亲水性，实现"可切换"的污染/抗污染状态——可在PBS中捕获蛋白质，在1 M NaCl中释放，循环使用。

表面水化行为：SBMA修饰的聚氨酯表面接触角从90°降至近20°，交联polySBMAAP可达6.7°接近超亲水；和频振动光谱（SFG）证实其在pH 5-9范围内保持稳定的致密氢键水化层，BSA、纤维蛋白原和溶菌酶均无法破坏该水化层，而PEG在蛋白质作用下会发生可逆的水化层破坏。

三、三大合成策略详解

表面接枝法：*核心的是表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP），通过BIBB、BpBr等引发剂固定于PVDF、PES、PS等基底，控制分子量、接枝密度和刷层均匀性（约20 nm厚）；其他方法包括紫外光接枝、臭氧活化接枝、蒸馏-沉淀聚合、多巴胺共沉积接枝等。例如Chiang等通过臭氧活化PVDF后热引发BIEA，再进行ATRP接枝SBMA；Davenport等通过多巴胺盐酸盐固定BIBB后ATRP合成SBMA刷。

物理共混/表面偏析法：将SBMA或其共聚物与疏水膜基质（PES、PSF）共混，利用非溶剂诱导相分离（NIPS）过程中亲水链段自发迁移至膜表面富集，而疏水段嵌入基质内部；也可制备SBMA纳米凝胶通过界面聚合嵌入聚酰胺选择层。例如Zhang等合成AEMA-SBMA共聚物，利用伯胺基团与聚酰胺表面残余酰氯形成共价键实现稳固集成；Guo等将SBMA与烯丙胺盐酸盐共聚形成纳米凝胶，原位掺入界面聚合制备TFC-NF膜。

表面涂层法：通过迈克尔加成合成SBMA-多巴胺共聚物后喷涂/涂覆；利用自组装单层（SAMs）、引发化学气相沉积（iCVD）构建均匀涂层；或与交联剂（如AMA）共聚后经紫外光交联。例如Xia等合成SBMA-DA共聚物涂覆PVDF膜；Jia等采用喷涂+等离子体处理将SBMA接枝到EVOH纳米纤维膜；Lounder等通过ARGET-ATRP制备SBMA-AMA共聚物，紫外光交联后获得0.9 nm可调孔径的高选择性膜。

四、分离性能与抗污染表现

本综述系统汇总了30余篇文献的分离性能和抗污染数据，关键发现如下：

PAPDMAEMA-co-SBMA膜（PEI支撑）展现出高达135 L/m²·h·bar的纯水渗透率和97-99.5%的亮蓝R染料截留率。PEI-g-SBMA膜对Na₂SO₄截留率达99.5%，而对NaCl仅6%，实现了*的盐/染料分离。GO-PSBMA复合PES膜纯水通量达71.7 L/m²·h，对BSA的通量恢复率为68-90%，对腐殖酸为78-90%。PA-TFM-SBMA膜经SI-ATRP改性后，对Na₂SO₄截留率99.1%，对MgSO₄为98.3%，腐殖酸通量恢复率92.1%，通量下降率60.5%。PSF-SBMA-AEMA膜水通量15.6-32.9 L/m²·h·bar，Na₂SO₄截留95-97%，NaCl截留28-32%，BSA通量恢复率84-97%。PAN-PEI-SBMA涂层膜水通量高达118.5 L/m²·h·bar，NaCl截留仅6%，BSA通量恢复率99.9%。PVDF-PSBMA-GO膜水通量18-39.5 L/m²·h·bar，Na₂SO₄截留99.5%，对BSA、腐殖酸和海藻酸钠的通量恢复率分别为68-90%、78-90%和82-87%。在重金属去除方面，MIL-53(Fe)-SBMA/PVDF膜对Pb²⁺截留97.33%，Hg²⁺为95.19%，As³⁺为82.06%，Cd²⁺为78.47%，对活性黑5染料截留96.23%，日落黄染料94.04%。

总体而言，SBMA改性膜普遍表现出更低的接触角（13-45°，未改性膜为68-125°）、更光滑的表面（粗糙度*降低）、更高的通量恢复率（普遍大于90%）和更低的通量下降率（可低至4-13.5%）。电中性表面和低表面能*小化了污垢物吸附，负电荷表面增强了对负电污染物的静电排斥。