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2026

JMS｜双功能分子调控剂实现纳滤膜渗透性与选择性的同步提升

作者：

英文题目

Dual-function molecular regulator enables simultaneous enhancement of permeability and selectivity in nanofiltration membranes

双功能分子调控剂实现纳滤膜渗透性与选择性的同步提升

期刊信息

期刊名称： Journal of Membrane Science

发表日期： 2026年1月13日（在线发表）

DOI号： https://doi.org/10.1016/j.memsci.2026.125161

摘要内容

本研究提出了一种简便而有效的双功能策略来调控纳滤膜活性层的结构，通过使用一种兼具分子调控剂和功能构建块双重角色的分子——对氨基苯磺酸钠（SABS），实现了哌嗪（PIP）单体空间分布的精准调控，从而同步提升了膜的渗透性和选择性。SABS与PIP之间的强非共价相互作用（包括氢键、静电作用和π-π相互作用）有效限制了PIP分子的自由扩散，使其在水-油界面分布更加均匀；同时，SABS的极性磺酸基团作为本征功能基团在界面富集，进一步实现了更可控的聚合过程。所制备的薄膜复合（TFC）纳滤膜表现出超高表面亲水性、强负表面电荷和窄孔径分布，实现了25.2 LMH·bar⁻¹的优异水渗透性和卓越的Cl⁻/SO₄²⁻选择性（选择性系数达87.89），同时具有良好的长期稳定性，性能优于此前报道的聚酰胺纳滤膜。该研究为高性能纳滤膜的理性设计提供了新思路，为安全饮用水生产提供了有前景的技术路线。

研究背景和意义

随着全球变暖和人口增长，淡水资源日益稀缺，膜分离技术特别是纳滤（NF）因其高效、经济、环境友好等优势成为水资源回收的21世纪标志性技术。然而，传统纳滤膜面临渗透性与选择性的固有权衡难题——两者难以同时提升，这严重限制了膜的性能上限。界面聚合（IP）作为*广泛使用的纳滤膜制备方法，虽然具有简单、快速、可规模化的优点，但传统IP过程中单体在互不相溶的两相中快速反应，往往导致不规则的孔结构、宽泛的孔径分布和过度的膜厚度。目前调控IP过程的策略主要包括设计反应性单体、添加水相添加剂或引入纳米填料等，例如Shao等人设计的多功能单体DAT-NH₂构建阳离子三唑杂环聚酰胺网络，虽实现了窄孔径分布和高正电荷密度，但新型单体的设计和合成往往涉及复杂程序，阻碍快速规模化生产；而引入环糊精、氧化石墨烯等亲水性添加剂虽能优化反应动力学、细化孔径分布、增强表面电荷和改善亲水性，但这些方法多为单一功能调控。本研究创新性地提出双功能分子调控策略，使用低分子量、高水溶性的离子型有机添加剂SABS，既作为分子调控剂优化PIP单体的空间分布和扩散行为，又作为功能构建块将亲水磺酸基团引入聚酰胺网络，从而同步解决渗透性与选择性的权衡问题，为高性能纳滤膜的简便制备和规模化生产提供了新范式。

实验步骤

聚醚砜（PES）支撑底膜制备：采用非溶剂诱导相分离（NIPS）法制备PES底膜。将PES粉末（16 wt%）、PEG粉末（16 wt%）和DMF溶液（68 wt%）混合制成铸膜液，浇铸在洁净玻璃板上，随后浸入水凝固浴中进行相分离，得到PES多孔支撑膜。

薄膜复合纳滤膜制备：首先配制含有不同比例PIP和SABS的水相溶液（SABS浓度梯度设置为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 wt%，对应膜样品标记为TFC₀至TFC₅）。将PES支撑膜充分浸润在该水相溶液中一定时间后，去除 excess 液体；随后将含0.1 wt% TMC的正己烷有机溶液倾倒于膜表面进行界面聚合反应；反应完成后弃去残余有机相，将膜置于恒温真空烘箱中进行热处理以促进交联；所有制备的TFC膜在表征前储存于去离子水中。对照组TFC₀使用纯PIP水溶液制备。通过系统改变SABS浓度、PIP浓度（0.1-0.5 wt%）和IP反应时间（30-150 s）优化膜制备工艺。

主要结果和结论

分子动力学模拟证实SABS与PIP分子间存在强非共价相互作用，使PIP在水相中的空间分布更均匀，扩散系数从0.432降至0.065（SABS₅₀体系），显著抑制了PIP的无序扩散。形貌表征显示，添加SABS后膜表面结节结构更加均匀，粗糙度先增后降，在0.8-1.0 wt% SABS浓度时表面*平整；活性层厚度从~60 nm降至~37.8 nm。EDS元素 mapping 证实Na和S元素均匀分布于膜表面，证明SABS成功嵌入聚酰胺网络。FTIR和XPS分析显示，SABS的引入使膜表面磺酸基团（1030 cm⁻¹）含量增加，酰胺键含量先降后升，交联密度降低。表面性质测试表明，水接触角从26.2°降至接近0°，实现超亲水表面；zeta电位显示表面负电荷显著增强。孔径分布分析表明SABS使孔径分布变窄，平均孔径先减小后增大。分离性能测试显示，优化膜TFC₄（0.8 wt% SABS）实现25.2 LMH·bar⁻¹的水渗透性（较TFC₀提升3.28倍），同时保持~99%的Na₂SO₄截留率，Cl⁻/SO₄²⁻选择性达87.89，突破了传统渗透性-选择性权衡。144小时长期运行测试表明，TFC₄膜渗透性稳定在15.08 LMH·bar⁻¹（仅下降40.2%），远优于TFC₀的63.4%下降幅度，显示出优异的长期稳定性。与近年来报道的聚酰胺纳滤膜相比，本研究膜在渗透性和离子选择性方面均具有竞争优势。

详细机理

SABS的双功能调控机理体现在三个协同作用机制：首先，SABS作为分子"伴侣"通过氢键、离子-偶极作用和π-π相互作用与PIP分子结合，优化其空间分布、减少聚集，使PIP分子从随机扩散转变为有序扩散，分布均匀性标准差从1.42降至0.98；其次，SABS显著降低PIP的扩散速率，减缓IP反应速度，使聚合过程更加有序可控，避免传统IP中因反应过快导致的无序聚酰胺网络生长；第三，SABS的强极性和亲水性磺酸基团使其优先在水-油界面富集，与PIP竞争界面位点并部分消耗TMC，限制PIP参与反应的程度，同时作为单功能单体参与反应起到链终止作用，抑制三维网络生长，使活性层变薄。此外，SABS引入的磺酸基团赋予膜超亲水性和固定负电荷：超亲水性通过形成强水合层促进水分子快速传输，补偿了膜厚度和粗糙度降低可能带来的负面影响；增强的表面负电荷通过Donnan排斥效应强化对多价共离子（如SO₄²⁻）的截留，同时通过静电吸引促进单价反离子（如Na⁺）的跨膜传输，进而提升Cl⁻的协同透过，最终实现Cl⁻/SO₄²⁻选择性的显著提升。尺寸筛分效应与Donnan排斥效应的协同作用，使膜在孔径变化不大的情况下，实现了渗透性和选择性的同步优化，有效突破了传统纳滤膜的性能权衡瓶颈。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/bArY0SRCeaoqBKDkI5O_uw