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2026

Nature Water｜分形结构启发的超渗透膜用于无电便携式纳滤

作者：

英文题目

Fractal-inspired ultrapermeable membranes for electricity-free portable nanofiltration

分形结构启发的超渗透膜用于无电便携式纳滤

期刊名称： Nature Water

发表日期： 2025年11月3日

DOI号：10.1038/s44221-025-00551-3

摘要内容

纳滤是一种通过去除有害病原体、微污染物和离子来生产清洁水的有效技术。然而，其对电源和复杂配置的依赖阻碍了纳滤系统在服务不足地区的部署。为了支持这些地区普遍获得清洁水，我们开发了一种可用于无电便携式净化器的超渗透聚酰胺纳滤膜。该膜具有受自然启发的基底，模仿叶片和血管中**的分形传输结构。由这种独特分形基底支撑的聚酰胺纳米膜实现了创纪录的113.6 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的高渗透性，比目前商业基准高出一个数量级。该设计通过简单的手动真空泵送实现了快速水净化，使用面积为157 cm²的掌大小膜盘在15分钟内产生超过250 mL的纯净水。此外，该纳滤膜对Na₂SO₄的截留率为98.0%，对病原体的去除率超过99.9999%，对微污染物（如99.1%的全氟辛烷磺酸）的去除效果优异。通过无需任何电力即可提供高质量的净化水，该便携式净化器为实现联合国可持续发展目标6（专注于清洁水和卫生）提供了实用的解决方案。

研究背景和意义

纳滤技术虽能有效去除水中有害离子、有机小分子和病原体，但传统系统依赖能耗密集型高压泵（约5 bar）和稳定电源，导致成本高、配置复杂、维护困难、便携性差，难以部署在基础设施不足的偏远地区——而当地居民正面临贫困和清洁水短缺问题，每年因腹泻疾病导致超过80万人死亡。尽管超薄聚酰胺（uPA）膜（<10 nm）理论上可提高水渗透性，但越薄的膜越易遭受"漏斗效应"：水需穿越数倍于膜厚的距离才能到达基底孔隙，造成额外水力阻力，严重限制渗透性能。现有研究虽已将PA膜厚度降至4.7 nm，但未能突破基底结构带来的传输瓶颈。本研究受自然界分形结构（叶片脉络、血管网络）启发，创新性地构建分形基底支撑的uPA膜，通过高孔隙率、大收集面积和**水分布能力缓解漏斗效应，*实现渗透性>100 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的突破，使无电手动操作（<1 bar）成为可能，为离网社区安全饮水和应急供水提供了全新解决方案。

实验步骤

分形基底制备：首先通过一步水解法制备Fe(OH)₃胶体——将0.2 mL饱和FeCl₃溶液缓慢滴加至100 mL沸水中，Fe³⁺水解形成特征樱桃红色的Fe(OH)₃胶体（含5 nm球形纳米颗粒）。快速冰浴冷却后，取2 mL胶体溶液与0.1 g哌嗪（PIP）混合于98 mL去离子水中，PIP使胶体发生分形聚集（pH≈10.9），形成分支状网络（分形维数1.70）。随后将20 mL该混合物过滤通过面积为63.5 cm²的聚醚砜（PES）超滤支撑膜，同步完成分形基底构建和PIP溶液浸渍。

Fr-uPA膜制备：采用界面聚合法在分形基底上制备PA纳米膜。将上述PIP和NaHCO₃浸渍的分形基底迅速浸入0.1 wt%均苯三甲酰氯（TMC）-正己烷溶液中30秒，通过PIP与TMC反应形成PA纳米膜。其中NaHCO₃的添加用于调控界面聚合动力学以减薄PA层。对照组uPA膜采用相同工艺但不含分形聚集物，常规PA（cPA）膜则不添加NaHCO₃和分形结构。

主要结果和结论

Fr-uPA膜实现了113.6 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的创纪录水渗透性，同时保持98.0%的Na₂SO₄截留率，远超现有PA纳滤膜的水/盐上界。该膜对一价盐（NaCl 35.9%，Na₂SO₄ 98.0%）和二价盐（MgSO₄ 96.3%，MgCl₂ 45.2%，CaCl₂ 43.6%）呈现选择性分离，对饮用水必需的Ca²⁺和Mg²⁺有足够透过率。基于该膜构建的无电便携式净化器（有效膜面积157 cm²，手动真空泵产生0.8 bar负压）可在15分钟内从河水中产出263.2 mL纯净水，TOC从4 mg/L降至1 mg/L（低于US EPA指南值1.8 ppm），对MS2噬菌体去除率达LRV>7.8（WHO要求LRV>4），对大肠杆菌去除率达LRV>6.1（1.3×10⁶ CFU/mL进水中未检出），对PFOS、PFBA、PFBS、GenX、PFOA五种全氟化合物的截留率均>90%（PFOS达99.1%）。膜在72小时连续过滤和20次循环测试中性能稳定，比能耗仅0.08 kWh/m³，远低于商业膜NF90（0.28）和NF270（0.17）。

详细机理

分形基底的核心作用在于多尺度协同优化水传输路径：Fe(OH)₃分形聚集体沉积形成高孔隙率（32%）、高度互联的孔隙网络（分形维数1.65），其表面面积比从1.08增至1.21，显著扩大水收集面积；聚集体内部纳米颗粒间的小空隙与分支间的大空隙构成互补的跨尺度孔道，产生强烈的毛细管芯吸效应（接触角从62.3°降至13.2°），使水在5秒内完全铺展（传统基底几乎不渗透），等效铺展直径达12 mm（对照的2倍）。CFD模拟证实，分形网络通过多尺度分支建立低阻力传输通道，毛细力驱动水快速均匀横向分布。该结构使分形涂层本身具有>2700 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的*高渗透性。关键的是，分形基底有效缓解了"漏斗效应"——传统基底上水需从PA层长距离迁移至稀疏孔隙，而分形基底的高密度互联孔道使水在PA层下方即可被快速收集分散，最小化传输距离，使*薄PA膜（6.4-7.3 nm）的理论高渗透性得以充分发挥，最终实现渗透性与选择性的同步突破。

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