北京时间 4 月 19 日，南京理工大学环境与生物工程学院张轩教授团队在Science（《科学》）发表题为 "More resilient polyester membranes for high-performance reverse osmosis desalination" 研究论文，在反渗透膜领域取得新突破，对反渗透行业的发展具有里程碑意义。
姚宇健博士为论文第一作者，张轩教授、东北师范大学王宪泽副教授、美国耶鲁大学化学与环境系 Menachem Elimelech 教授为论文共同通讯作者，南京理工大学为第一通讯单位。南京理工大学孙飞、张雯、李猛、沙刚、滕龙等人为论文共同作者。
海水淡化作为唯一能从源头上实现淡水资源开源性增量的技术，是解决全球水源短缺问题的首要选择，也是重塑我国 " 水安全 " 规划的重要组成部分。近年来，《中国制造 2025》《海水淡化利用发展行动计划（2021-2025 年）》等政策文件的出台也已明确将海水淡化产业纳入国家重大战略规划。
目前主流商业海水淡化膜的类型是复合聚酰胺薄膜（TFC-PA）, 其中美国杜邦公司、海德能公司、日本东丽等公司的产品占据全球市场绝大多数份额。尽管 TFC-PA 膜具有出色的 " 溶质 - 水 " 分离性能，但其在实际淡化工艺过程中仍面临诸多挑战。学界普遍认为目前制约反渗透领域发展的因素有四点：渗透性与选择性之间的权衡；对中性小分子的去除率不足；易受有机 / 无机物污染；对活性氯等氧化剂的耐受性低等问题。
针对上述膜材料在应用场景中的真实工程问题，张轩教授研究团队于 2014 年开始布局反渗透膜领域的材料革新，开展了大量应用基础研究。以提高膜材料化学耐受性为出发点，解析了传统反渗透膜结构在活性氯攻击下的降解路径，发现了聚酰胺型膜材料化学结构的 " 自证陷阱 "，进而提出了一类聚酯型反渗透膜材料，从实验与模拟两方面共同论证了新结构的 " 本体耐氯 " 特性。
新一代聚酯反渗透膜的分离性能，耐污染及长期海水淡化运行性能数据
基于上述研究基础，团队将目光锁定于聚酯分离膜材料体系，并持续开展了结构创制与技术革新。设计并合成了一类间苯二酚衍生物— 3,5- 二羟基 -4- 甲基苯甲酸（DHMBA），借助 " 共溶剂辅助 " 界面聚合的制膜方法，提高了反应物从水相迁移至有机相的扩散速率，构建了无缺陷、且具有优异 " 水 / 盐选择性 " 的三维网络聚合物薄膜结构，验证了材料优异的反渗透基础分离性能（与 Dupont 公司 SW30 系列海淡膜相当）。进一步的模型实验研究结果表明，DHMBA 型聚酯反渗透膜材料在脱硼率、耐氯性、抗有机污染、抗无机结垢等海水淡化关键评价指标方面均表现出色，综合性能在多维度超越行业标杆。
独特的分子结构与巧妙的制备工艺共同造就了 DHMBA 型聚酯反渗透膜的优异性能。其中，羧基与酚羟基赋予了反应物的自聚合特点，1,3,5- 三取代的结构抑制了苯环的直接氯化反应路径，而甲基的引入则提供了空间位阻，增大了模型化合物的扭转势能（DFT 论证），从而延缓了酯基在碱性条件下的水解。进一步的表征分析表明新膜材料活性层的厚度远低于商业膜，且表面粗糙度仅为 2.36 ± 0.32 nm。聚合物的高交联度及封端技术减少了膜表面的官能团数量，阻碍了硼酸分子在膜内的扩散、降低了污染物在膜面的附着概率，强化了材料的抗污染特性。最后，由于 DHMBA 型聚酯反渗透膜沿用了现有商用膜的生产工艺，提升了其规模化生产的可行性，这对反渗透行业的发展具有里程碑意义。
论文在投稿过程中也得到了来自编辑和审稿人的共同认可。审稿人认为："这是一份高质量的工作，描述了令人印象深刻的膜设计与制备方法。尤其是与行业标准 SW30 膜相比，新膜材料的具有的氯稳定性、对无机晶体沉积的抵抗力和抑制作用 ( This is very high quality work, and the paper describes a membrane formulation that has impressive performance metrics ( especially chlorine stability compared to an industry-standard SW30 membrane, resistance to inorganic crystal deposition, and boron rejection ) "；" 聚酯膜可能能与最先进的聚酰胺反渗透膜竞争主流市场，这代表了自 80 年代 Film Tec 发明以来反渗透膜研究的里程碑前进 ( It appears to be the first polyester membrane that could eventually compete with, or even outperform state-of-the-art polyamide RO membranes, representing a milestone advance for the RO research ( since the invention of Film Tec in the 80s ) "。
上述研究得到了国家自然科学基金及江苏省自然科学基金的资助。此外，研究工作还得到了中科院化学研究所张平霞研究员、东北师范大学霍明昕教授、南开大学曹天池副教授、韩国高级科学技术研究所 Chan hee Boo 教授的指导和帮助。南京理工大学分析测试中心提供了部分测试及技术支持。相关技术已申请中国发明专利 2 项，并获授权（ZL 201911277839.9，ZL 201911270642.2）。
论文第一作者：姚宇健，南京理工大学环境与生物工程学院博士生（2016 – 2021），博士后创新计划获得者。以第一作者作者身份在 Science, Nat. Sustain., Environ. Sci. Technol. 等期刊发表 SCI 收录论文 5 篇。主持国家及省部级自然科学基金等科研项目 2 项。
通讯作者：张轩，南京理工大学环境与生物工程学院教授、博士生导师，研究方向为水处理分离膜的材料革新与过程理论。先后主持国家及省部级科研项目 10 项，企业合作研发课题 3 项，入选 Journal of Membrane Science 期刊编委。以第一 / 通讯作者身份在 Science, Nat. Sustain., J. Membr. Sci., Environ. Sci. Technol. 等期刊发表 SCI 收录论文 58 篇，编写英文专著 2 部，授权中国发明专利 8 项。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk0632
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