Nature Nanotechnology：具有高效截留效率的仿生水通道膜用于海水淡化

【研究背景】

水资源短缺是现代世界的主要挑战之一。为了应对这一挑战，人们一直致力于发展可以进行高效水净化和脱盐作用的膜技术。如果要将海水净化，就必须要将水中的盐，即Na⁺和Cl^-等极小尺寸的离子去除，而只得到水分子。一方面，Na⁺和Cl^-尺寸太小，另一方面水分子和这些水合离子之间尺寸差异也很小，如何构建合适的限域通道，实现水分子的选择性限域通过，是当前研究领域的重难点议题。据报道，人造水通道（AWCs）仿生水通道蛋白的行为模式，可以通过调控通道结构来控制水分迁移，从而大幅提高材料在净水过程中的选择性。为了实现AWCs的扩大生产，人们认为利用扩展性良好的聚酰胺（PA）与之结合形成杂化材料是一种理想策略。然而，构建这一杂化材料的关键挑战在于如何调节聚酰胺和通道之间的相互作用，从而避免缺陷的产生。

【成果简介】

近日，法国蒙彼利埃大学的Mihail Barboiu教授团队报道了一种集成有AWCs的可扩展化仿生膜。在这一仿生膜中，杂化的聚酰胺具有巨大的空腔结构，能够无缝吸收AWCs从而实现高选择性水输运。实验表明，这些膜可以轻易达到工业水平（>m²），并在典型的海水淡化过程中展现出高达99.5%的氯化钠截留率和91.4%的硼截留率。65 bar时的水通量为751 m⁻² h⁻¹，以及35000 ppm NaCl进料溶液（模拟海水进料）。该通量比当前最先进的膜（具有同等的溶质截留率）高出75%以上，相当于在相同的产水量下减少了膜面积，并使脱盐所需能量减少了约12%。因此，研究认为这项工作提出的仿生膜制备策略对于推动水处理膜技术的发展具有重大的意义。该文章近日以题为“Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination”发表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

【图文导读】

图一、膜的制备及SEM表征

（a）仿生TFC-HC6膜的合成程序及假设机理。

（b-c）TFC-HC6薄膜最上层的横截面和顶视图的代表性SEM照片。

（d-g）横截面和表面的SEM显微照片显示了对照TFC膜的致密结构以及TFC-HC6膜的PSf-PA界面处形成的大空隙。

图二、TEM表征

（a-b）多孔PSf载体上的原始PA的TEM截面图和高放大倍数的TFC-HC6膜顶层的细节。

（c）TFC-HC6膜在不同倾斜角度下的3D重建TEM层析成像。

（d）TFC-HC6膜层析成像的固定角度瞬时屏幕截图。

（e-f）水对离子在具有较大表面积的紧凑原始TFC和AWC嵌入的TFC-HC6膜上选择性传输的示意图。

图三、脱盐性能评估

a-c为海水；d-f为淡盐水。

（a, d）实验水通量和观察到的溶质截留控制TFC膜、商业膜和TFC-HC6膜的AWCs在0%回收率。

（b, e）选择性-生产力权衡图，表示了膜的反溶质渗透系数作为其各自透水性的关系。

（c, f）计算了膜的实际排斥率，与各自的水渗透的关系。

图四、在海水淡化操作中的应用

（a-b）实验水通量、观察到的溶质截留率、进料和渗透流浓度与回收率和累积渗透体积的关系。

（c-d）验证SW30XHR商用膜（c）的容器规模模型，以及商业膜（d）和含有AWC的TFC-HC6膜的模型应用结果。

（e）试验中的试验透水率，包括施加压力的逐步增加和逐步降低。

（f）在机械或化学应力作用下膜的实验性能。

【结论展望】

这一合理化证实了以上讨论的结果，表明嵌入自组装AWCs不会产生最上层活性层的缺陷。实际上，高选择性AWC本质上促进了水的优先选择性通过，通过具有更大表面积的选择性AWC嵌入层，具有更好的perm选择性行为。它还表明AWCs与周围PA基体具有良好的结构相容性，这是构建无缺陷无缝有源层的必要条件。

文献链接：Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination(Nature Nanotechnol.,2020, DOI: 10.1038/s41565-020-00796-x)

本文由大兵哥供稿。

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