摘要：复合聚酰胺膜广泛应用于水基应用，例如去除有害污染物以及从水和废水中分离宝贵资源。然而，其分离性能通常受渗透性与选择性之间权衡的限制。尽管与海水淡化相关的权衡已得到充分证实，但其他重要的膜基应用尚未得到充分研究。

复合聚酰胺膜广泛应用于水基应用，例如去除有害污染物以及从水和废水中分离宝贵资源。然而，其分离性能通常受渗透性与选择性之间权衡的限制。尽管与海水淡化相关的权衡已得到充分证实，但其他重要的膜基应用尚未得到充分研究。

鉴于此，香港大学汤初阳教授与Pulak Sarkar教授针对不同分离应用的去除或分离，建立了渗透性-水/溶质选择性和渗透性-溶质/溶质选择性的各种性能图。这将有助于弥合材料级膜性能与潜在应用的系统级需求之间的差距。他们还建立了一个便捷的框架，用于评估和基准测试各个领域的高性能膜，并提出了优化膜性能和/或系统性能的潜在策略，从而提高膜应用的分离效率。本综述为膜技术的研究人员和工程师提供了深刻的知识和信息。相关综述以题为“Assessment of permeance and selectivity of thin-film composite polyamide membranes for diverse applications”发表在最新一期《nature water》上。Li Long为本文一作。

【基于材料特性的渗透选择性图】

作者将经典的Robeson型权衡关系扩展到了聚酰胺反渗透（RO）与纳滤（NF）膜体系。作者将水通量A与两类选择性作图：A/B（即水∶溶质）与B/B（溶质∶溶质），其中B为溶质本征通量。图1汇总了300多组文献数据，揭示了交联密度、致密层厚度、表面电荷和孔径等材料参数如何决定膜在图中的位置。

图1a（A ‒ A/B（NaCl））显示：RO膜位于高选择性/低通量区（A≈0.1–4 Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹，选择性最高达1000 bar⁻¹）；NF膜通过损失约1数量级选择性换取1–2数量级更高的A。虚线标示的“偏移区”表明在缺陷极少的超薄层中，提升A并不会降低B。图1b（A‒A/B（Na₂SO₄））表明：硫酸根为二价，因而即便A≈30 Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹，选择性仍超过100 bar⁻¹。作者重新绘制了2021年的上限曲线，并指出随着高通量数据的出现，其斜率仍存不确定性。图1c，d数据揭示（A‒A/B（CaCl₂与MgCl₂））：硬度离子呈现类似权衡；带正电的PEI/TMC膜在中等A下提供>100 bar⁻¹的高选择性。

图1.聚酰胺膜的水渗透性（A）与水/盐（A/B）选择性的渗透性-选择性图

【面向“去除”应用的水/溶质选择性】

作者汇总了饮用水、废水与养分回收过程中常见污染物的A/B值（图2）。图2a氮物种：氨、亚硝酸根、硝酸根的选择性均100bar⁻¹。所有谱图中水通量峰值很少超过40Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹，表明去除型膜仍受厚度限制。

图2.聚酰胺膜的水渗透性（A）与水/溶质（A/B）选择性的渗透性-选择性图

即便是专用 NF，在 pH 10 bar⁻¹。

图3.聚酰胺膜的水渗透性（A）与水/污染物（A/B）选择性的渗透性-选择性图

【溶质/溶质选择性（针对分馏应用）】

作者进一步比较了当目标是分离两种溶质而非保留水时的B/B选择性（图4）。NaCl/Na₂SO₄与NaCl/MgSO₄：PIP-TMCNF在A>40Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹时选择性>1000，适合海水预处理。NaCl/CaCl₂与NaCl/MgCl₂：带正电膜将一价/二价阳离子选择性提升至100–1000。CaCl₂/Na₂SO₄：选择性>100，可针对性去除结垢前驱物。示意图展示了超多孔中间层（“沟道效应”）如何缩短水通道并保持薄膜完整。

图4.聚酰胺TFC膜的水渗透性（A）与盐/盐（B/B）选择性的渗透性-选择性图

作者然后转向更高价值的分离对象（图5）。LiCl/MgCl₂：现有膜集中在 B/B ≈ 10–100；A 多 500 g mol⁻¹ 时，尺寸排阻 + 电荷排斥可使选择性 > 10 000，表明宽松 NF 足以进行盐-染料分级。总的来说，表明：B/B 权衡并非普适，选择性高度依赖水基质，单盐数据往往高估混盐表现。

图5.使用聚酰胺TFC膜进行Li/Mg分离和染料/盐分离的渗透-选择性图

【针对特定应用的膜选择和优化】

作者给出了实用决策图（图6）：每一张通量–选择性图可分为S路径（高选择性）、B路径（平衡）与P路径（高通量）。海水RO必须选择S路径：需BNaCl99%盐截留，硼去除≥50%（饮用水）或≥90%（灌溉）。苦咸水RO可接受较低选择性；B路径中A≈10 Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹的膜利用较低渗透压降低能耗，但As(III)截留仍需>90%。地表水或MBR升级可选超高通量的P路径膜，以降低设备成本并实现真空驱动浸没式NF。锂提取更重视选择性（S路径），因锂价值高于产水量；作者指出即使膜对Li截留90%、对Mg截留99.9%，SF仍仅约100，远低于纯度要求。表2（未完全列出）将产品质量目标转化为B范围：例如，A=20 Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹的苦咸水RO膜需要BNaCl≈1 Lm⁻²h⁻¹才可达50%截留。

图6.基于渗透选择性图的膜选择和优化

【未来展望】

作者总结了材料层面与系统层面的两类杠杆：（1）材料策略（图7a–c）单体工程（如PEI、IPC）调控电荷与自由体积。添加剂——盐、表面活性剂、纳米填料、MOF——调节界面聚合，使中间层将A推高至10⁵ Lm⁻²h⁻¹bar⁻¹。超薄（（2）系统策略（图7d）多级串联可将膜选择性按Sⁿ放大，双级RO已用于将海水硼降至

图7.未来性能提升前景的示意图

【结论】

作者强调没有单一膜能覆盖所有应用。相反，通量–选择性图（图1–5）加上S-B-P框架（图6）可用于快速基准评估，而图7中的工具箱指出未来的着力点：无缺陷超薄皮层、褶皱形貌、中间层以及智能流程设计。通过不断扩充高质量实验数据库，并将其与半经验或机理模型结合，学界可持续提升上限，缩小材料性能与系统需求之间的差距。

来源：再甜也是苦哦