特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。
研究背景
近半个世纪以来，凭借出色的分离效率，聚酰胺薄膜复合反渗透(TFC-RO)膜近半个世纪以来一直是海水淡化或废水回用的黄金标准技术。聚酰胺薄膜具有优异的透水性和脱盐率。
关键问题
聚酰胺薄膜通常是通过界面聚合（IP）制造，然而，IP工艺的热力学不稳定性会产生表面粗糙度较高的聚酰胺薄膜，这会造成有机污垢或无机结垢物的粘附。尽管氯等氧化剂可以防止膜生物污染，但在活性氯存在的情况下，聚酰胺膜会通过酰胺键上的N-氯化或苯环上的直接芳族取代而恶化，这增大了工业水处理成本。聚酯选择层虽然具有耐氯和脱盐能力，但是其耐酸碱性能差。
新思路
有鉴于此，南京理工大学张轩、东北师范大学王宪泽、耶鲁大学Menachem Elimelech等人通过使用共溶剂辅助界面聚合使 3,5-二羟基-4-甲基苯甲酸与均苯三甲酰氯反应，从分子尺度设计了聚酯薄膜复合反渗透膜。这种聚酯膜具有显着的透水性、对氯化钠和硼的高截留率以及对氯的完全耐受性。与聚酰胺膜相比，该膜的超光滑、低能量表面还可以防止结垢和矿物质结垢。通过进一步优化水盐选择性，这些膜可能会越来越多地挑战聚酰胺膜，为大幅减少海水淡化中的预处理步骤提供了一条途径。作者提出了利用空间位阻来延缓水解，并通过实验表征和理论计算证实了空间位阻缓解水解的可行性。作者对所制造的聚酯TFC-RO膜（DHMBA膜）的物理化学性质进行了表征，证实了薄而无缺陷薄膜的形成，并通过海水淡化实验表明了DHMBA膜的优异性能。 作者对DHMBA和商业化的SW30膜进行了氯稳定性测试，表明DHMBA膜表现出优异的抗氧化性和优异的稳定性。作者比较了聚酯膜和SW30的耐无机（矿物）和有机污垢性能，证实了聚酯膜在处理石膏溶液和模拟海水实验中，均具有优异的防污和防垢性能。1、通过共溶剂辅助界面聚合从分子角度设计了坚固的聚酯TFC-RO膜作者利用共溶剂辅助界面聚合从分子角度设计了一种耐氯聚酯TFC-RO膜，聚酯膜的分子设计利用空间位阻来缓解水解，使用单体3,5-二羟基-4 甲基苯甲酸（DHMBA）来制造具有完全耐氯性的聚酯RO膜。本工作设计的耐氯聚酯TFC-RO膜具有显着的透水性以及对NaCl和硼的高截留率。此外，它还具有完全的耐氯性以及出色的耐污垢和矿物结垢性能。作者利用空间位阻来延缓水解，使用DHMBA来制造具有完全耐氯性的聚酯RO膜。具体而言，以3,5-二羟基苯甲酸（DHBA）为原料，依次通过芳香族溴化、亲电芳香族烷基化和雷尼镍还原合成单体。通过核磁共振光谱、傅里叶变换红外光谱和质谱对DHMBA的化学结构进行了表征和验证。作者通过构建由 DHBA或DHMBA与TMC制成的模型酯化合物，然后通过计算计算该化合物被羟基离子攻击的扭转势 (TPE)，证实了两个酚基之间的甲基会提供空间位阻，阻止酯键在碱性条件下水解。在DHMBA单体中插入–CH3基团会进一步降低整个分子的反应性，因为空间位阻使酚基团在碱存在下亲核性降低。 接着，作者对所制造的聚酯TFC-RO膜（DHMBA膜）的物理化学性质进行了表征，以确保形成薄而无缺陷的薄膜。XPS计算的交联密度证明形成了自聚合超支化聚酯，FE-SEM和AFM进一步证实了聚酯层的光滑性质，其平均粗糙度比聚酯层低一个数量级以上。最后，聚酯薄膜的厚度通过激光椭偏仪、透射电子显微镜和飞行时间二次离子质谱进一步确认了其活性层的层深。此外，在对2000mgL−1 NaCl进料溶液进行脱盐时，所制造的DHMBA膜表现出优越的性能。 图 DHMBA和SW30膜在氯暴露后的脱盐性能和形貌随后，作者对DHMBA和商业化的SW30膜进行了氯稳定性测试。结果表明，在活性氯存在的情况下，聚酰胺基SW30膜的性能在所有pH条件下都会迅速恶化。相比之下，DHMBA膜表现出优异的抗氧化性，因为苯环1、3、4和5位的取代基阻碍了2和6位的直接氯化反应位置。当DHMBA 膜暴露于酸性条件（pH-0）下形成的水性分子Cl2时，观察到稳定的脱盐性能，表明对芳香族取代反应具有优异的抑制作用。DFT计算进一步证实了实验结果。DHMBA膜还在pH ~7.0的条件下保持稳定的脱盐性能超过2000小时，其中HOCl是主要的氯物种。该膜甚至可以在pH值高达9.0的情况下耐受 100,000 ppm hour–1的总游离氯暴露。这揭示了–CH3的空间位阻对抑制酯键碱性水解的影响。 最后，作者比较了聚酯膜和SW30的耐无机（矿物）和有机污垢性能。虽然聚酰胺膜的水通量在处理模型石膏溶液和模拟海水时迅速下降，但聚酯膜在24小时的运行中几乎没有观察到性能变化。FE-SEM图像显示脱盐性能测试后 DHMBA膜的表面几乎没有变化，而SW30膜上可以识别出晶体或聚集体。DHMBA膜在处理含有模型有机污染物（海藻酸钠和腐殖酸）的盐水溶液方面也表现良好。AFM粘附力测量结果证实，与SW30膜相比，DHMBA膜的污染倾向要低得多。对于石膏结垢，耗散石英晶体微天平(QCMD)显示，与SW30膜相比，DHMBA膜表面的质量积累要低得多。用去离子水清洗即可恢复DHMBA膜的初始状态，而SW30膜上的累积质量大部分是不可逆的。DHMBA 膜的超光滑、低能量和较少电荷的表面可能有助于其防污和防垢性能。即使在使用真实海水并定期添加氯的测试中，DHMBA 膜也表现出稳定的运行，15天后水通量下降仅2%。
展望
总之，作者展示了聚酯反渗透膜具有卓越的水盐选择性、硼截留率以及抗氯、抗污垢和抗矿物结垢能力。共溶剂辅助IP工艺增强了水反应物向有机相的扩散，从而形成具有高脱盐性能的无缺陷选择性层。该膜的表面比商用聚酰胺海水反渗透膜光滑得多，这可能是其结垢和结垢倾向较低的原因。具有高度交联结构的全芳香族聚酯使膜在0至9的pH范围内具有耐氯性和水解稳定性。由于该膜制造工艺与传统TFC膜相似，因此可以采用现有的膜工业生产线扩大制造规模。Yujian Yao, et al. More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination. Science, 2024, 384(6693):333-338.DOI: 10.1126/science.adk0632https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0632
