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06
2026
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06
EST：巧用"纳米气泡-纳米颗粒"耦合策略，打造兼具高透水与抗压实的反渗透膜
作者：
研究背景
在薄层复合反渗透膜中，聚酰胺分离层下方通常分布着大量离散的纳米空穴。近年研究表明，这些纳米空穴的形成与界面聚合过程中反应热及副产物H⁺诱导产生的纳米气泡密切相关。这些空穴不仅能够为水分子提供快速传输通道，还能通过独特的“沟槽效应”缩短水的有效传输路径，因此，纳米空穴工程已成为提升反渗透膜透水性的重要策略。目前，研究者已探索了多种构建纳米空穴的方法，例如直接添加发泡剂（如NaHCO₃、NH₄HCO₃）或构建具有发泡特性的中间层（如CaCO₃、氧化石墨烯等），利用原位反应生成的气泡作为空穴模板；也可采用预先负载的纳米气泡（如CO₂、H₂O₂）作为非原位模板。
然而，纳米空穴在提高透水性的同时，往往会对膜的抗压实能力产生不利影响，二者之间存在权衡关系。传统纳米气泡策略面临的关键挑战在于：气泡在演化过程中易受奥斯特瓦尔德熟化影响，尺寸难以控制（从几纳米到数百纳米不等），导致形成的空穴尺寸分布宽、均一性差。此外，由于聚酰胺低聚物的各向异性生长，被包裹的纳米气泡可能呈现不同形态（如扁椭球形、长椭球形和准球形），最终反映为空穴形态的差异。根据经典弹性理论，空穴的形态对应力分布具有决定性影响：扁椭球形或长椭球形空穴在高压水力条件下易在产生方向性力学各向异性，导致严重的局部应力集中和优先压实；而准球形空穴则具有更均匀的应力分布和更低的应力集中程度，因而表现出更强的抗压实能力。因此，如何通过多维度调控纳米空穴的尺寸和形态，在透水性与抗压实能力之间建立平衡，成为当前反渗透膜结构设计中亟待解决的关键科学问题。
构建纳米空穴——水分子快速传输通道——是提升聚酰胺反渗透膜水渗透性的理想方法。然而，纳米空穴多变的形态和不一致的尺寸通常会导致应力集中，并加速膜的压实。本研究采用了一种纳米气泡-纳米颗粒耦合策略，利用牺牲型 ZIF-8 纳米颗粒作为离散支柱来限制纳米气泡的界面生长。该方法成功制备了含有均匀、小尺寸、准球形纳米空穴的 CO₂-0.50/ZIF-8(32) 膜，该膜在苦咸水中表现出优异的水渗透性 (3.35 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹) 和高盐截留率 (99.13%)。与含有不均匀、大尺寸、扁椭球形纳米空穴的传统反渗透膜相比，CO₂-0.50/ZIF-8(32) 膜表现出显著增强的抗压实能力。在涉及加压-卸压循环的加速压实测试和长期海水反渗透实验中，其水渗透性损失仅略高于无空穴的 PA-pristine 膜。本研究证实，经过多维度精细设计的纳米空穴可以作为一种独特的零质量增强“成分”，有效分散应力并减轻反渗透膜中的压实效应。通过在不增加额外材料的情况下同时提高渗透性和物理结构稳定性，这项工作为海水淡化和淡水生产提供了一种节能且可持续的膜设计策略。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3vRC5hGw-24K4G-HMoOkRA
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