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近半个世纪以来，复合反渗透膜一直是海水淡化和水净化的最佳选择，一直以聚酰胺化学为主，聚酰胺在透水性和脱盐性方面具有足够的性能，但在氯或其他强氧化剂存在下容易降解。聚酯通常不用于水过滤膜，因为它们浸入水溶液中时会发生水解降解。

在此，南京理工大学张轩教授，东北师范大学王宪泽副教授和美国耶鲁大学Menachem Elimelech教授等人通过分子设计聚酯薄膜复合反渗透膜来解决这些问题，该膜使用助溶剂辅助界面聚合，使3,5-二羟基-4-甲基苯甲酸与三甲基酰氯反应。这种聚酯膜具有很强的透水性，对氯化钠和硼展现出高截留率，以及对氯的完全耐受性。与聚酰胺膜相比，该膜的超光滑、低能耗表面还可防止结垢和矿物结垢。同时，这些膜可以通过进一步优化水-盐选择性来越来越多地挑战聚酰胺膜，从而为大幅减少海水淡化中的预处理步骤提供途径。

相关文章以“More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination”为题发表在Science上。

内容详解

聚酰胺薄膜复合反渗透（TFC-RO）膜凭借其出色的分离效率，近半个世纪以来一直是海水淡化或废水再利用的重要技术。这些膜通过界面聚合（IP）制备，其中反应发生在含有间苯二胺（MPD）的水相和含有三甲基氯（TMC）的有机相之间的界面上。然而，IP工艺的热力学不稳定性会产生具有高表面粗糙度的薄聚酰胺薄膜，这有利于有机污垢或无机垢剂的粘附。尽管氧化剂（如氯）可以防止膜生物污染，但在活性氯存在下，聚酰胺薄膜会通过酰胺键处的 N-氯化或苯环处的直接芳香取代而变质。

为了克服这些限制，工业水处理需要一系列昂贵的预处理步骤（例如，混凝、阻垢剂添加、消毒和脱氯），以去除潜在的污垢和残留的氧化物质，从而为精密的RO膜制备给水。尽管最近在文献中报道了防污和耐氯膜可能避免这些预处理步骤，但与聚酰胺膜相比，它们的海水淡化性能要差得多。一个例外是在由聚醚砜（PES）基材支撑的中间聚（哌嗪酰胺）层上形成的聚酯选择层。尽管聚酯选择层表现出出色的耐氯性和海水淡化能力，但膜在pH 值为 8.0 时开始水解，因此海水（pH=8.0~8.5）、碱性地下水和城市废水（pH=7.0~8.5）将需要其他形式的化学密集型预处理。开发一种坚固的膜，通过抗结垢和矿物结垢或对清洁剂（例如活性氯）的化学惰性，消除所有预处理步骤，可以大大降低海水淡化的成本和环境影响。

为了应对这些挑战，本文使用助溶剂辅助界面聚合，从分子上设计了一种坚固的聚酯TFC-RO膜。该膜具有显著的透水性，对NaCl和硼具有高截留率。此外，它还具有完全的耐氯性，以及出色的抗污垢和矿物结垢性。

图1. 聚酯RO膜的设计、制造工艺和海水淡化性能。

图2：DHMBA和SW30膜暴露于氯气后的海水淡化性能和形貌。

图3：DHMBA和SW30膜的石膏结垢和有机结垢。

图4：DHMBA和SW30膜在海水淡化中的污垢比较

综上所述，本文证明了聚酯反渗透膜具有出色的水-盐选择性、硼去除性以及耐氯、结垢和矿物结垢性。助溶剂辅助IP工艺增强了水性反应物向有机相的扩散，从而形成了具有高脱盐性能的无缺陷选择层。这些膜的表面比商业聚酰胺海水反渗透膜光滑得多，这可能是它们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值范围内具有耐氯性和水解稳定性。由于本文的膜制造工艺与传统的TFC膜相似，因此可以调整现有的工业生产线以扩大生产规模。

Yujian Yao, Pingxia Zhang, Fei Sun, Wen Zhang, Meng Li, Gang Sha, Long Teng, Xianze Wang*, Mingxin Huo, Ryan M. DuChanois, Tianchi Cao, Chanhee Boo, Xuan Zhang*, Menachem Elimelech*, More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination, Science. (2024).

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