摘要：鉴于此，苏州大学靳健教授、朱玉长教授展示了界面催化聚合策略能够开发用于膜淡化的可持续聚酯薄膜。这种方法改善了反应动力学和聚合控制，促进了天然衍生的苯酚和醇化合物的有效聚合，使其成为无毒、经济高效且环保的间苯二胺替代品。界面催化剂增强了单体扩散和聚合，克服了天然

可持续的聚酯薄膜用于海水淡化！

反渗透膜在废水处理、水回用和海水淡化中必不可少，但传统的聚酰胺反渗透膜依赖于有毒的胺单体，如间苯二胺，这会带来显著的健康风险。

鉴于此，苏州大学靳健教授、朱玉长教授展示了界面催化聚合策略能够开发用于膜淡化的可持续聚酯薄膜。这种方法改善了反应动力学和聚合控制，促进了天然衍生的苯酚和醇化合物的有效聚合，使其成为无毒、经济高效且环保的间苯二胺替代品。界面催化剂增强了单体扩散和聚合，克服了天然衍生单体反应性有限的问题，从而生产出均匀、致密的聚酯薄膜。由此产生的膜表现出优异的脱盐性能（NaCl 截留率为 99.2%；15 bar 时通量为 31.7 l m-2 h-1），与商用 BW30 膜（无论是试样规模还是螺旋卷式模块规模）相当，证明了其在实际膜脱盐方面的潜力。这项工作为进一步开发用于脱盐技术的可持续、天然衍生膜材料铺平了道路。相关研究成果以题为“Sustainable polyester thin films for membrane desalination developed through interfacial catalytic polymerization”发表在最新一期《nature water》上。

【基于单宁酸的聚酯膜的制备及结构表征】

本文首要创新点在于用单宁酸（TA）（一种可从植物中广泛提取的酚类物质）取代有毒的 MPD。由于单宁酸本身的反应活性较低，传统的界面聚合在形成致密、无缺陷的选择层时并不理想。但研究者引入了作为水相可溶催化剂的十六烷基三甲基氯化铵（CTAC），显著提高了单宁酸与酰氯单体（TMC）之间的反应效率。图 1a 和 1b 对比了传统 MPD（具有多重健康危害标识）与安全的天然提取物 TA 的结构与风险；作者通过示意图展示了 TA 与 TMC 在水-油界面上的催化聚合过程（图 1c）。由于 CTAC 同时具有表面活性和催化作用，使得 TA 在界面局部富集、反应活化能降低，最终形成平滑且高交联度的聚酯膜；图 1d–f 展示了分子动力学模拟（MD）结果：采用 ICP 制备的 TA 膜自由体积分数更小，平均孔径约 4 Å，而传统 IP （无 CTAC）膜的孔径可达 ~10 Å，孔洞更大且分布不均；透射电子显微镜截面图如图1g–h所示。采用 ICP 的单宁酸聚酯膜厚度仅 40 ± 3 nm，而传统 IP 的膜则达到 ~242 nm，且内部更疏松。通常情况下，较薄且致密的选择层意味着更高的水通量和更好的脱盐性能。总的来说，在 ICP 工艺中，单宁酸因 CTAC 的催化作用而显著提升了反应效率，形成了超薄且致密的聚酯选择层。

图 1. TA 基聚酯膜的制备及结构表征

【ICP 机理研究】

为进一步阐明 ICP 如何改善聚合反应，作者进行了以下分析：图 2a 给出了采用常规 IP 与 ICP 制备的聚酯网络的固态 13C NMR 谱图。ICP 样品在 ~171 ppm 处（酯键对应的羰基碳峰）强度大幅增强，说明酯化交联程度更高；图 2b 和 2c 通过紫外-可见光（UV–vis）吸收证实：当 CTAC 存在时，TA 的最大吸收从 276 nm 红移至 ~306 nm，并且吸收峰展宽，说明酚羟基与 CTAC 中胺基形成了离子配合物。随着反应进行，TA 在界面的浓度迅速下降，表明反应更快且更彻底；密度泛函理论（DFT）计算（图 2d）显示，CTAC 通过与单宁酸的配合作用降低了酯化形成的自由能障；为了验证膜致密度，作者测定了膜对不同中性溶质的截留率，并推算出孔径。结果显示：当 CTAC 浓度从 0 增至 1200 µmol·L−1时，膜对 NaCl 的截留率从低于 10% 飙升至 99.2%，平均孔径缩小至 ~0.41 nm（对应分子量截止约 108 Da）。这些实验证明 ICP 能广泛提高类似单宁酸这类酚、醇化合物的聚合效率，获得结构高度交联、能用于反渗透的致密膜。

图 2. ICP 机制的研究

【TA 基聚酯膜的脱盐性能与抗污性】

利用 ICP 制得的 TA-RO 膜在 15 bar、2000 ppm NaCl 条件下测试，结果表明：水通量约 31.7 L·m−2·h−1；盐截留率约 99.2%。与商用 BW30（DuPont FilmTec）膜相比，TA-RO 膜在通量与盐截留方面具有可比甚至更优的性能。图 3a–b 显示TA-RO 在 15~35 bar 之间保持稳定的高截留率（约 99%），并且通量随压力增加而稳步提升；图 3c–f 展示了 TA-RO 与 BW30 的表面显微形貌与原子力显微镜（AFM）结果。TA-RO 的选择层极其平整（均方根粗糙度仅 ~4.46 nm），而 BW30 则有明显“沟壑”结构（粗糙度达 ~58.4 nm）；图 3g–h 分析了抗蛋白（BSA）及胶体（SA）污染能力。BW30 在 BSA 过滤时，通量衰减达 64.7%，水洗后仅能恢复 38.5% 的通量；而TA-RO 膜仅衰减 16.8%，水洗后可恢复 97.0% 的原通量。对 SA 同样表现出更好的抗污染能力及通量恢复率；为评估单体的挥发或浸出风险，研究者将新鲜制备（未水洗）膜样浸泡在水中 48 小时，并对 TA 与 MPD 的释出浓度进行监测。结果显示TA-RO 的单体释出量远低于 MPD-RO。储存 3 个月后，MPD-RO 会在包装袋内产生明显冷凝迹象，而 TA-RO 则无此现象，说明TA-RO 的潜在毒性和环境影响更小。

图 3. TA 基聚酯膜的脱盐性能和防污性能

【中试规模膜及组件的制备与性能】

在实验室小规模验证成功后，研究团队在卷对卷连续涂覆装置上实现了中试规模（幅宽 0.35 m）的 TA-RO 膜制备。图4展示了该放大过程及随后对家用饮用水净化的测试：图4b–c显示了一批连续制备的膜样品（幅宽0.35 m）。随机切取6个位置（M1–M6）做测试，结果均显示高于90%的脱盐率，性能相当稳定；图4d–e展示了将TA-RO膜制成标准螺旋卷式膜组件（有效膜面积约0.32 m2），这是家用和工业反渗透的常见形式；图4f指出对苏州市政自来水的处理结果：其总溶解固体从约262 mg·L−1降至25 mg·L−1，尤其是硫酸根离子从74.5 ppm降至1.1 ppm，系统回收率约70%，与市售家用RO设备表现相当。

图 4. 中试规模膜和模块的制备和性能

【总结】

这项研究主要实现了以下三大目标：（1）替代有毒胺单体：证明了以单宁酸等天然提取物替换MPD制备高品质RO膜的可行性；在使用与后期运行中均无明显有害气体或高毒性浸出物；（2）界面催化聚合（ICP）策略：提出了可克服酚、醇类化合物低反应活性的可行方法，引入具有双重功能（表面活性及催化）的CTAC，使得聚酯层更薄、孔径更小、分布更均一；（3）可规模化、稳定生产：通过中试连续生产及模块化组装，证实了TA-RO的可扩展性与实用性。在自来水处理测试中能成功降解多种离子浓度到安全水平，接近或优于现行商用膜。整体而言，这项研究为反渗透技术中的“绿色”革新提供了强力助推：在全球水需求持续增长的大背景下，引入无毒、生物可降解的新型膜材料，将能有效缓解传统膜材料的生产与使用风险。作者所展示的ICP方法，或将推动学术和工业界设计更多性能优异、成本可控且环境友好的下一代分离膜，为水资源可持续利用提供新思路。

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来源：中国教师报教育