可量產(chǎn)的催化納濾膜，實(shí)現(xiàn)小分子污染物近乎100%去除

水資源短缺已成為全球最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，它不僅威脅公共健康，還直接關(guān)系到糧食安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。納濾（NF）與反滲透（RO）技術(shù)雖然已在海水淡化、污水回用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但卻存在一個(gè)“卡脖子”難題：難以有效去除那些體積極小、無(wú)電荷的有機(jī)污染物。例如，飲用水消毒過(guò)程常見的副產(chǎn)物——N-亞硝基二甲胺（NDMA，強(qiáng)致癌物），以及工業(yè)溶劑1,4-二氧六環(huán)（1,4-D），在現(xiàn)有NF/RO膜中的去除率不足50%，嚴(yán)重制約了安全飲用水的保障能力。這一難題的破解，成為膜科學(xué)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

今日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王允坤教授聯(lián)合萊斯大學(xué)Menachem Elimelech院士共同報(bào)道了一種全新設(shè)計(jì)的催化納濾膜。這一“仿生”膜材料不僅能像傳統(tǒng)NF膜一樣篩除鹽分和大分子，更能在膜內(nèi)觸發(fā)高級(jí)氧化反應(yīng)，將小分子有機(jī)污染物徹底分解。其去除效率接近100%，并在連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后依舊保持穩(wěn)定。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)卷對(duì)卷工藝將這一技術(shù)放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。這一突破性成果為飲用水安全與環(huán)境治理提供了全新解決方案。相關(guān)成果以“Scalable catalytic nanofiltration membranes for advanced water treatment”為題發(fā)表在《Nature Water》上，第一作者為張浩，Yanghua Duan為共同一作。

從自然啟發(fā)的分子設(shè)計(jì)

作者的靈感來(lái)自一種天然存在的富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白。這些蛋白能通過(guò)巰基與重金屬離子牢固結(jié)合，完成解毒功能。團(tuán)隊(duì)借鑒這一機(jī)制，在膜的制備過(guò)程中引入半胱氨酸分子，讓其氨基和巰基同時(shí)參與聚酰胺層的交聯(lián)反應(yīng)，從而形成穩(wěn)定的“錨點(diǎn)”。在這些位點(diǎn)上，金屬離子（如Co2?）被牢牢固定，并在還原劑作用下轉(zhuǎn)化為單原子催化劑。這種單原子催化劑均勻分布在納米尺度的選擇層中（圖1a、1b），不會(huì)像傳統(tǒng)催化劑那樣團(tuán)聚成顆粒而失效。電子顯微鏡和光譜學(xué)分析證實(shí)，鈷原子以孤立形式存在，并與氮、硫原子牢固配位（圖1e–1g）。這種高度分散的結(jié)構(gòu)既保證了高催化活性，又避免了金屬流失帶來(lái)的二次污染。

圖1：催化NF膜的合成和表征

催化氧化污染物的去除

在實(shí)際水處理中，NDMA與1,4-D是最具代表性的難除污染物。研究人員將新型催化NF膜與市售NF/RO膜進(jìn)行對(duì)比（圖2a），結(jié)果顯示：傳統(tǒng)膜對(duì)1,4-D和NDMA的去除率普遍低于60%，而催化膜在過(guò)硫酸氫鉀（PMS）存在下，去除效率高達(dá)98.8%（圖2b）。更令人驚喜的是，這一高效表現(xiàn)并不僅限于1,4-D。無(wú)論是常見的藥物殘留（如對(duì)乙酰氨基酚）、抗生素（磺胺甲噁唑）、農(nóng)藥（阿特拉津），還是塑料添加劑（雙酚A），催化NF膜幾乎都能實(shí)現(xiàn)近乎完全去除（圖2e）。長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性也是實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，催化膜依然保持接近100%的去除率和鹽截留率（圖2f）。相比之下，普通NF膜不僅去除效率有限，還容易因污染而衰減。而催化膜在二級(jí)污水出水中依舊保持優(yōu)異的抗污染性能（圖2g），表現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

圖2：去除中性低分子量污染物

三大機(jī)理揭示“超能力”來(lái)源

在常規(guī)膜過(guò)濾中，溶質(zhì)在膜表面積聚會(huì)導(dǎo)致“濃差極化”，往往被視為負(fù)面效應(yīng)。但在這款催化納濾膜中，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地“化弊為利”：氧化劑PMS在膜表面被富集到原濃度的近7倍（圖3a、3b），顯著加快了反應(yīng)速率，使催化過(guò)程更加高效。與此同時(shí)，膜的超小孔徑（僅0.27 nm）猶如分子級(jí)別的“納米反應(yīng)器”，讓催化反應(yīng)幾乎沒(méi)有能壘（圖3c、3d），在限域環(huán)境下自由能降低近一倍（圖3e），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物更徹底的分解。此外，這種膜還能“聰明地選擇”：它會(huì)高效阻擋天然有機(jī)物（NOM），避免這些物質(zhì)消耗活性物種，而讓目標(biāo)污染物順利進(jìn)入膜孔完成降解（圖3f、3g）。因此，即便在湖水、河水或生活污水等復(fù)雜環(huán)境中，它依舊能保持90%以上的去除率（圖3h），展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

圖3：機(jī)理分析

從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化

科研成果能否真正落地，關(guān)鍵在于規(guī)?；a(chǎn)與模塊化應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)成功采用卷對(duì)卷工藝，制備了長(zhǎng)達(dá)30米的膜卷（圖4a、4b）。這一工藝與現(xiàn)有商業(yè)生產(chǎn)線兼容，意味著無(wú)需額外改造即可實(shí)現(xiàn)推廣。在應(yīng)用測(cè)試中，研究人員將催化膜組裝成螺旋卷式膜元件與盤管式膜元件（圖4c、4d）。結(jié)果顯示：在自來(lái)水測(cè)試中，螺旋卷式催化膜對(duì)1,4-D的去除率高達(dá)98.6%，遠(yuǎn)超普通NF膜的43.8%（圖4e）。在工業(yè)常用的盤管式配置中，催化膜依舊能去除97%以上的1,4-D和95%以上的總有機(jī)碳（TOC）。這標(biāo)志著該技術(shù)不僅在實(shí)驗(yàn)室可行，更能無(wú)縫對(duì)接現(xiàn)有工業(yè)體系。

圖4：對(duì)膜模塊及其性能進(jìn)行升級(jí)

總結(jié)與展望

這一研究首次在納濾膜中實(shí)現(xiàn)了“過(guò)濾+催化”雙重功能的深度耦合，成功突破了傳統(tǒng)膜難以去除小分子污染物的瓶頸。其單原子催化策略與分子限域效應(yīng)，不僅顯著提升了污染物去除效率，還確保了長(zhǎng)期穩(wěn)定性和環(huán)境友好性。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)已驗(yàn)證了其規(guī)?；a(chǎn)與模塊化應(yīng)用的可行性，為飲用水凈化和污水資源化利用提供了新一代解決方案。未來(lái)，隨著工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，這種催化納濾膜有望在全球水處理行業(yè)廣泛落地，幫助人類更好地應(yīng)對(duì)水資源危機(jī)。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>