给净水膜造“特殊纹路”：新技术让水处理高效又稳定
给净水膜造“特殊纹路”：新技术让水处理高效又稳定
在污水处理、苦咸水软化与饮用水净化中，纳滤膜是一种低能耗的关键材料。长期以来，它一直被一个矛盾困扰：想要水通量更大，截留率就容易下降。要把污染物拦得更干净，水流又会变得很慢。
10月27日，记者从中国科学院近代物理研究所获悉，该所重离子科学与技术全国重点实验室科研团队，利用重离子辐照- 径迹蚀刻得到的核孔膜做基底，提出 “热耦合纳米孔介导界面聚合”新策略，不靠任何外加添加剂，就在膜表面长出了规整的图灵脊 - 谷结构。这种新型纳滤膜对硫酸钠截留率高达99.67%，对双酚 A、四环素、诺氟沙星等多种有机微污染物的去除率超过 98%，连续运行 168 小时性能几乎不衰减。相关成果已发表于《化学工程学报》 （Chemical Engineering Journal） 。
新型纳滤膜。叶满山摄
通量和截留，为何总是“鱼和熊掌”
纳滤介于超滤与反渗透之间，能分开单价/多价离子，也能截留小分子有机物，同时操作压力远低于反渗透是污水再生、工业水处理的主力技术。但传统界面聚合法制备的聚酰胺纳滤膜，表面会长出一团杂乱的结节状凸起，由此带来“渗透性-选择性”权衡困境。
“简单说，就是膜做薄做松，水过得快，但拦不住小分子。把交联网络做密，截留上去了，水又走不动。”论文第一作者方孟玲向记者解释。工程上过去只能在中间找平衡，靠增加膜元件面积来补通量，成本和占地都上去了。
近代物理研究所研究员姚会军告诉记者，传统界面聚合是一个受扩散限制的自催化反应：水相单体哌嗪（PIP）向有机相扩散，和酰氯快速反应成膜，成膜后又反过来阻挡单体继续供给，各处反应速率不均，表面自然长成随机结节。“这种结构把‘有效过水面积’和‘网络致密性’绑在了一起，调一个必然牵动另一个，我们想做的，就是给这两个参数松开绑。”
图灵结构，原本是1952年图灵提出的、反应-扩散体系自发形成的周期性斑纹。团队想到，如果能让膜表面长出连续起伏的脊-谷，就能在不破坏完整交联网络的前提下，把有效过水面积做大。以往研究大多靠添加纳米颗粒、高分子添加剂拉大单体扩散差，却忽略了界面聚合反应本身是放热的，热量在界面上的分布同样会影响图案。
“在核孔膜上做实验时我们注意到，图案的周期和孔间距尺度高度相关。”方孟玲说，“如果热只是伴随现象，图案不该对散热的几何结构这么敏感，我们由此判断，热场本身就是一个独立的调控变量。”
新型纳滤膜。叶满山摄
自组织出图灵纹
团队的抓手，是重离子辐照-径迹蚀刻制备的核孔膜。先让高能重离子束垂直穿过聚合物薄膜，离子在膜内留下一条条笔直的电离损伤径迹，再通过化学蚀刻，把这些径迹“放大”成孔径均一、垂直贯通、大小可调的纳米孔道。和商业基底孔径杂乱、分布不均不同，这样得到的核孔膜，每一个纳米孔都是一个独立的“供给通道”和“散热单元”，孔径可在几十纳米至微米范围内精准调节。
记者了解到，核孔膜上分立的纳米孔打断了热量横向扩散的路径，孔口附近单体供给充足，又能顺着孔道向水相散热。孔与孔之间的实体区域散热路径长，聚合放热积聚形成局部热点。与此同时，纳米孔还调控着PIP 单体在界面的富集与输运，孔口附近单体浓度更高。
“浓度场提供‘激活’，热场提供‘长程抑制’。”姚会军打了个比方，“局部单体多、反应快的地方被激活，热量快速向周边扩散又压住了邻近区域的反应，两者耦合，正好满足图灵失稳条件，膜表面就自发长出了周期性的脊-谷纹路。整个过程不需要加任何纳米颗粒、表面活性剂或高分子添加剂。”
团队进一步建立热耦合反应-扩散理论模型，用二维有限差分做数值模拟，揭开了两条调控规律：扩散对比度决定图案 “长相”—激活组分和抑制组分扩散快慢的差异，决定膜上是条纹、脊谷还是斑点。传质传热的绝对速率决定纹路 “大小”速率越快，脊-谷特征尺寸越大。通过调节基底孔径、PIP 浓度和反应时间，他们把脊-谷特征尺寸在 117.7 纳米至 608.5 纳米之间灵活调节。
方孟玲介绍，无添加剂路线带来三个实实在在的好处。首先，分离层是纯聚酰胺，没有外来残留，不容易产生缺陷。其次，脊和谷都是连续交联相，稳定性来自网络本身，不靠第二相“贴上去”。最后，调控变量集中在物理参数上，批次重复性更好。团队还通过温度依赖性实验、孔径系列实验、模型复现和参数对应四重证据，确认热输运不是副产物，而是主动变量。
长时间运行不掉线
优化后的膜兼具高度交联网络与强负电性表面，形成“双保险”截留机制：交联网络负责尺寸筛分，把分子量320道尔顿以上的物质挡在外面。负电表面（约-41.56毫伏）则依靠道南效应，把带负电的硫酸根和有机微污染物通过静电排斥拦下来。
测试结果显示，膜对硫酸钠截留率达99.67%，对双酚A、四环素、诺氟沙星等多种典型有机微污染物去除率均高于98%。抗污染实验中，以牛血清白蛋白为模型污染物，水洗后通量恢复率达91.4%，污染以可逆污染为主，连续168小时错流过滤，通量与截留率没有出现趋势性下降。
“尺寸筛分负责把‘太大的’挡住，静电排斥负责把‘尺寸接近但带电的’也挡住，这样我们不必为了截留微污染物再把网络压得更密，图灵结构带来的高通量就保住了。”方孟玲说。
谈到研究历程，姚会军坦言，这项工作最曲折的阶段，正是早期只用扩散对比度去解释核孔膜上的图案时，实验和模拟始终对不上。“一旦把反应放热和界面散热纳入模型，那些解释不了的规律一下子就收敛了。这种‘从伴随现象到独立变量’的认知转变，是整个课题最关键的转折点。”
团队也客观指出，核孔膜基底依赖重离子加速器，目前仍处于实验室小批量制备阶段，距离卷式膜组件开发、真实水体验证和工程落地，还有一段路要走。
“这项工作跳出了只看物质扩散的传统思路，把热输运作为调控自组织界面的关键变量。”姚会军表示，未来团队一方面推进工艺放大与膜组件开发，另一方面把框架拓展到其他界面聚合膜和自组织材料体系，为饮用水安全保障、工业废水处理和污水资源化提供新的材料方案。
相关论文信息： https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182548