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】

水資源短缺是現代世界的主要挑戰之一。為了應對這一挑戰，人們一直致力于發展可以進行高效水凈化和脫鹽作用的膜技術。如果要將海水凈化，就必須要將水中的鹽，即Na⁺和Cl^-等極小尺寸的離子去除，而只得到水分子。一方面，Na⁺和Cl^-尺寸太小，另一方面水分子和這些水合離子之間尺寸差異也很小，如何構建合適的限域通道，實現水分子的選擇性限域通過，是當前研究領域的重難點議題。據報道，人造水通道（AWCs）仿生水通道蛋白的行為模式，可以通過調控通道結構來控制水分遷移，從而大幅提高材料在凈水過程中的選擇性。為了實現AWCs的擴大生產，人們認為利用擴展性良好的聚酰胺（PA）與之結合形成雜化材料是一種理想策略。然而，構建這一雜化材料的關鍵挑戰在于如何調節聚酰胺和通道之間的相互作用，從而避免缺陷的產生。

【成果簡介】

近日，法國蒙彼利埃大學的Mihail Barboiu教授團隊報道了一種集成有AWCs的可擴展化仿生膜。在這一仿生膜中，雜化的聚酰胺具有巨大的空腔結構，能夠無縫吸收AWCs從而實現高選擇性水輸運。實驗表明，這些膜可以輕易達到工業水平（>m²），并在典型的海水淡化過程中展現出高達99.5%的氯化鈉截留率和91.4%的硼截留率。65?bar時的水通量為751 m^?2?h^?1，以及35000?ppm NaCl進料溶液（模擬海水進料）。該通量比當前最先進的膜（具有同等的溶質截留率）高出75%以上，相當于在相同的產水量下減少了膜面積，并使脫鹽所需能量減少了約12%。因此，研究認為這項工作提出的仿生膜制備策略對于推動水處理膜技術的發展具有重大的意義。該文章近日以題為“Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination”發表在知名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖一、膜的制備及SEM表征

（a）仿生TFC-HC6膜的合成程序及假設機理。

（b-c）TFC-HC6薄膜最上層的橫截面和頂視圖的代表性SEM照片。

（d-g）橫截面和表面的SEM顯微照片顯示了對照TFC膜的致密結構以及TFC-HC6膜的PSf-PA界面處形成的大空隙。

圖二、TEM表征

（a-b）多孔PSf載體上的原始PA的TEM截面圖和高放大倍數的TFC-HC6膜頂層的細節。

（c）TFC-HC6膜在不同傾斜角度下的3D重建TEM層析成像。

（d）TFC-HC6膜層析成像的固定角度瞬時屏幕截圖。

（e-f）水對離子在具有較大表面積的緊湊原始TFC和AWC嵌入的TFC-HC6膜上選擇性傳輸的示意圖。

圖三、脫鹽性能評估

a-c為海水；d-f為淡鹽水。

（a, d）實驗水通量和觀察到的溶質截留控制TFC膜、商業膜和TFC-HC6膜的AWCs在0%回收率。

（b, e）選擇性-生產力權衡圖，表示了膜的反溶質滲透系數作為其各自透水性的關系。

（c, f）計算了膜的實際排斥率，與各自的水滲透的關系。

圖四、在海水淡化操作中的應用

（a-b）實驗水通量、觀察到的溶質截留率、進料和滲透流濃度與回收率和累積滲透體積的關系。

（c-d）驗證SW30XHR商用膜（c）的容器規模模型，以及商業膜（d）和含有AWC的TFC-HC6膜的模型應用結果。

（e）試驗中的試驗透水率，包括施加壓力的逐步增加和逐步降低。

（f）在機械或化學應力作用下膜的實驗性能。

【結論展望】

這一合理化證實了以上討論的結果，表明嵌入自組裝AWCs不會產生最上層活性層的缺陷。實際上，高選擇性AWC本質上促進了水的優先選擇性通過，通過具有更大表面積的選擇性AWC嵌入層，具有更好的perm選擇性行為。它還表明AWCs與周圍PA基體具有良好的結構相容性，這是構建無缺陷無縫有源層的必要條件。

文獻鏈接：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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