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2026

CEJ｜基底独立的表面/界面工程用于水处理膜

作者：

综述题目：

Substrate-independent surface/interface engineering for efficient water treatment membranes

基底独立的表面/界面工程用于水处理膜

期刊信息： Chemical Engineering Journal

发表日期：2026年1月9日

DOI: 10.1016/j.cej.2026.172810

摘要内容翻译：

传统分离膜，特别是聚合物膜，通常因其强疏水性、高污染倾向、较差的化学稳定性以及宽泛的孔径分布而在渗透选择性方面受到限制。传统的改性方法往往依赖基底性质，存在操作繁琐、基底兼容性有限以及环境友好性差等显著缺点。本综述聚焦于六种创新的基底独立型膜表面工程技术——等离子体处理、聚多巴胺（PDA）涂层、多酚涂层、氨基丙二腈（AMN）涂层、原子层沉积（ALD）和蛋白质涂层。这些技术无论基底的化学组成、物理状态或初始性质如何，均具有普遍的基底适应性。本文详细阐述了它们独特的反应机理（如等离子体通过高能粒子活化、单体的氧化自聚合等），将这些机理与膜性能提升关联起来，比较了各自的核心优势与实际缺陷，并重点介绍了它们在海水淡化、油水分离和废水净化中的应用。未来研究应优先推进材料-工艺协同创新，开发低成本、高稳定性、智能响应型涂层，从而为高性能膜应对全球水安全挑战提供可规模化的绿色解决方案。

综述背景和意义：

作为21世纪水处理的支柱技术，膜分离技术凭借*的物理筛分机制实现了*节能的水净化与资源回收，然而主流的聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、聚酰亚胺（PI）和聚丙烯（PP）等聚合物膜材料虽具备良好的化学稳定性与机械性能，但其非极性疏水本质导致膜表面极易吸附蛋白质、胶体和微生物等污染物，造成膜孔堵塞与通量衰减，同时材料耐酸碱能力有限，原始膜孔径分布较宽也导致分离精度不足。目前，化学气相沉积（CVD）、喷涂和溶胶-凝胶等传统表面改性方法虽能在一定程度上改善膜性能，但它们高度依赖基底的化学性质与表面兼容性，难以兼容金属、陶瓷和惰性聚合物等多样化材料，且普遍存在操作繁琐、需严苛预处理、功能拓展受限及常依赖有毒试剂等问题。为此，本综述系统总结了一类操作简便、*且基底独立的"通用改性"技术，深入剖析等离子体处理、聚多巴胺涂层、多酚涂层、氨基丙二腈涂层、原子层沉积及蛋白质涂层这六种策略的化学原理、优缺点及其在水处理分离膜中的具体应用，旨在为突破传统改性方法的基底依赖性瓶颈、实现膜表面性质的统一调控提供全面的理论指导与技术参考。

综述内容：

本文围绕六种基底独立改性技术展开系统论述。

（1）等离子体处理：利用部分电离气体中的高能粒子（电子、离子、自由基）与膜表面相互作用，通过物理溅射（粗糙度提升1.2–1.5倍，活性位点密度达10¹⁵ sites/cm²，孔径增大10–50 nm）和化学活化（引入–OH、–C=O等极性基团，覆盖率30%–40%）实现表面清洁、活化与功能化，适用于聚合物、金属及碳材料，典型应用于RO/NF膜亲水化与油水分离。

（2）聚多巴胺（PDA）涂层：受贻贝粘附蛋白启发，多巴胺在弱碱性条件（pH 8.5）下经氧化自聚合形成10–50 nm厚的多功能纳米涂层，通过儿茶酚/醌基团与基底发生强粘附，并支持金属沉积、分子接枝等二次功能化，几乎适用于所有基底，广泛用于抗污染超滤膜与生物医学涂层。

（3）多酚涂层：以单宁酸、没食子酸等天然多酚为基元，通过氢键、π–π堆积、金属配位及迈克尔加成等多重作用粘附于基底，在弱碱性条件下氧化自聚合或与金属离子（如Fe³⁺）配位形成三维交联的金属-酚网络（MPNs），其配位键具有pH响应性（pH<2解离，pH>7稳定），用于痕量有机污染物去除及油水分离。

（4）氨基丙二腈（AMN）涂层：利用AMN分子中氨基（–NH₂）与氰基（–CN）双活性官能团的协同作用，在室温下水相中自聚合形成20–200 nm厚的致密氮富集涂层；氰基可水解为羧基增强亲水性，氨基可参与缩合反应实现二次功能化，适用于聚合物、金属及陶瓷基底，在高镁锂比盐湖提锂与自清洁膜领域展现潜力。

（5）原子层沉积（ALD）：基于顺序、自限制的气-表面反应实现原子级*薄膜生长，通过交替引入前驱体与吹扫步骤，可在复杂形貌上获得亚纳米级厚度控制与优异保形性；针对惰性疏水基底（如PVDF、PTFE），需先经多酚或蛋白质敏化引入活性位点，再沉积TiO₂/Al₂O₃等纳米涂层，用于NF膜孔径精细调控与耐腐蚀防护。

（6）蛋白质涂层：利用天然蛋白质丰富的氨基、羧基、巯基和羟基等侧链官能团，通过疏水锚定、氢键网络或金属配位在室温下水相中一步成膜，形成纳米级无缺陷功能层，并可通过原位包埋或后接枝引入抗菌肽、催化剂等，适用于正渗透膜与有机溶剂纳滤膜的绿色改性。

结论和展望：

基底独立的表面改性技术通过引入极性基团或构建水合层，有效降低了膜表面水接触角，提升了纯水通量、油水分离效率及抗污染性能，同时通过化学接枝或物理互锁增强了涂层与基底的结合力，改善了膜的耐酸碱性与抗通量衰减能力。然而，现有技术仍面临各自局限：等离子体处理设备成本高、工艺复杂且处理深度有限（≤100 nm）；PDA涂层在强碱或强氧化环境中稳定性不足，且厚度*控制困难；多酚涂层在极端pH或紫外光照下易发生配位键断裂降解；AMN涂层附着力与机械强度有待提升；ALD沉积速率慢、前驱体昂贵且对惰性基底需额外敏化。未来研究应着力推进多技术协同集成（如多酚敏化ALD、PDA-MOF复合体系），以互补优势突破单一技术瓶颈；引入人工智能（如数据-机理融合的分子表示学习模型）实现改性工艺参数的实时优化与高通量筛选；借助3D打印（如电喷雾增材制造）构建具有特定微结构的梯度涂层，*调控膜表面形貌与厚度；在规模化生产方面，发展卷对卷（Roll-to-roll）连续生产线与超声辅助浸涂技术，推动实验室成果向工业应用转化。此外，开发具有pH、温度、光或溶剂响应的智能型表面涂层，实现膜表面性质的动态调控与"自清洁-自修复"功能，将为应对高盐、高污染等复杂工业废水处理场景提供更具可持续性的技术解决方案，助力全球水安全目标的实现。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Z6KFI2UK0Gf_9QgP1b1wxg