性能碾壓最先進膜！哈工大團隊開發出基于PLA的納濾膜，用于高效水處理
隨著環境污染加劇與水資源日益緊張，開發綠色、安全、可持續的水處理技術已成為全球研究熱點。納濾膜作為高效分離技術的重要組成部分，近年來在工業廢水處理與資源回收方面應用廣泛。然而，傳統納濾膜通常依賴石油基原料，制備過程涉及有毒有害溶劑，膜材料難以降解，嚴重制約了其環境適應性和可持續發展潛力。因此，如何構筑從原料選擇、制備工藝到廢棄降解全過程均符合綠色化學原則的新型膜材料，成為膜科學領域亟待解決的核心挑戰。
該研究不僅填補了可持續納濾膜技術在降解性與高性能并重領域的空白，也為膜材料的綠色設計與產業化應用提供了新范式。相關研究成果以“Sustainable nanofiltration membranes enable ultrafast water purification”為題，9月17日發表于《Nature Water》。
圖1 可持續納濾膜（SNFM）的可持續性策略示意圖
圖1 展示了可持續納濾膜（SNFM）的可持續性策略示意圖。該膜通過使用低危害化學品（包括聚乳酸 PLA、木糖醇、多巴胺 DA 和油酸 OA）進行更安全的制備過程合成，具有優異的受限分子和離子篩分能力。該示意圖描繪了其制備過程：分子/離子水相與油相在 PLA 基底上進行界面聚合形成 SNFM。更重要的是，該圖還說明了 SNFM 在壽命終結后可被土壤微生物有機降解，實現自然的循環，突出了其從制備、高效水處理（能源效率應用）到最終降解的全生命周期可持續性。
圖2 SNFM 的制備過程及其原料的危害性分析
圖 2 展示了 SNFM 的制備過程及其原料的危害性分析。圖 a 顯示了 SNFM 表面的掃描電鏡圖像，呈現出致密且不規則的條紋結構。圖 b 通過分子動力學模擬展示了 SNFM 合成過程的快照。圖 c 揭示了 DA 和木糖醇分子間氫鍵的數量及其在界面處數量的增加曲線，解釋了二者通過氫鍵強相互作用共同向界面擴散并形成致密選擇層的機理。圖 d 顯示了 DA、木糖醇與 TMC 反應的吉布斯自由能，表明競爭反應的存在導致了不規則條紋結構的形成。圖 e 通過生命周期評估比較了 TCM 和 SNFM 系統的 CO? 排放等情況，表明 SNFM 系統總體 CO? 排放更低，且因其使用快速生長的生物質和增加碳去除的土地管理實踐而成為強大的碳匯。圖 f 通過大腸桿菌生長實驗直觀對比了空白組與 SNFM 原料組的毒性，證實 SNFM 所用原料無害甚至促進細菌生長，遠優于 TCM 原料的強毒性。
圖3 SNFM 的降解機理及其產物
圖 3 闡述了 SNFM 的降解機理及其產物。圖 a 顯示了 SNFM 在自然土壤中埋藏 0、3、6 個月后的形態變化，證實其逐漸降解。圖 b 的掃描電鏡圖像顯示了被土壤微生物降解 3 和 6 個月后 SNFM 表面逐漸出現孔隙和裂紋。圖 c 定量展示了 SNFM 基于土壤微生物的降解率在 6 個月后高達 90%，遠高于 TCM。圖 d 和 e 通過微生物群落分析表明，SNFM 作為碳源選擇了特定降解菌屬（如 Delftia 和 Tissierella），并富集了塑料降解和發酵功能菌群。圖 f 顯示發酵相關酶（如乙酰-CoA 相關酶）的豐度在 SNFM 土壤群落中顯著增加，表明脂肪發酵是主要降解途徑。圖 g 和 h 通過液相色譜-質譜分析確定降解產物為乳酸、PLA 低聚物和兒茶酚等，并通過大腸桿菌毒性試驗證明這些產物低危害，甚至能顯著促進細菌生長。
圖4 SNFM 的分離性能
圖 4 系統比較并展示了 SNFM 的分離性能。圖 a 顯示 SNFM 的純水通量高達 100.7 L m?² h?¹ bar?¹，是對照 TCM 和商業 GC-NF5001 膜的 212% 和 928%，同時對剛果紅染料的截留率高達 99.9%。圖 b 表明 SNFM 在處理不同活性染料分子（如 CR, IG, EB）時均表現出高溶液通量和超過 99% 的優異截留率。圖 c 的性能對比圖進一步表明 SNFM 的性能優于多種當前最先進的膜材料。圖 d 顯示 SNFM 在染料/鹽混合溶液中具有高溶液通量和分離因子，尤其在單價陰離子體系中分離因子更高，這歸因于膜表面負電荷引起的唐南效應。圖 e 表明 SNFM 在不同剛果紅濃度下保持高且穩定的通量和分離因子。圖 f 證明了 SNFM 在連續運行 14 天處理 CR/NaCl 溶液過程中，能保持高通量和持久的高分離因子，這得益于其優異的抗污染能力，其表面親水性可形成水化層抑制污染物吸附，示意圖形象地展示了這一機制。
通過從原材料到協同制備與合成方法的系統設計策略，該研究成功開發出一種具有更綠色生命周期的高效水處理用可持續納濾膜（SNFM）。生命周期評估（LCA）和大腸桿菌存活實驗表明，與傳統復合膜（TCM）相比，SNFM 的制備過程更安全，所使用的原材料具有更低的環境影響和危害性，具體體現為更低的 CO? 排放和促進大腸桿菌生長。酶降解和土壤降解分析表明，SNFM 可在 5 天內被蛋白酶 K 降解，并在 6 個月內被 Delftia 和 Tissierella 屬微生物降解，而商業 GC-NF5001 膜和 TCM 均未顯示出可降解性，這證明了 SNFM 的可持續性。更重要的是，SNFM 展現出 100.7 L m?² h?¹ bar?¹ 的高水通量（比 GC-NF5001 和 TCM 分別高 928% 和 212%）、優異的截留率、高的分子/離子分離因子、卓越的抗污染能力和運行穩定性，其性能優于商業及當前最先進的膜。
總的來說，文章提出了全生命周期綠色納濾膜的解決方案，在“性能–可持續性–降解性”三方面都取得突破，對未來可持續水處理和膜分離技術具有里程碑意義。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s44221-025-00492-x
文章素材來源：可降解可循環中心，聚如如資訊（www.jururu.info）
