南开大学团队打破聚酰胺（PA）膜渗透性瓶颈

钱伯章 2025-11-29

2025 年 8 月，南开大学韩刚团队在《Nature Communications》发表研究，通过多功能分子工程策略构建 CTHP 纳米薄膜，突破聚酰胺纳滤膜渗透性与选择性的固有矛盾，水渗透性提升 3 倍、二价阳离子截留率超 99%，为水处理等领域提供突破性技术方案。

膜纳滤（NF）技术凭借非相变分离、高能效、低碳足迹等优势，成为水处理、资源回收等领域精准离子分离的核心手段。然而，当前主流的聚酰胺（PA）纳滤膜始终受限于水渗透性与选择性的固有矛盾—— 提升水通量往往导致溶质截留能力下降，反之亦然，这极大制约了其性能潜力的发挥。

2025年8月4日，南开大学韩刚团队在《Nature Communications》发表的研究论文中，提出了一种创新的多功能分子工程策略，为解决这一难题提供了突破性方案。该研究由哈尔滨工业大学为共同通讯作者，通过可规模化的界面聚合法，成功构建出阳离子三唑杂环聚酰胺（CTHP）纳米薄膜，实现了水渗透性与共阳离子选择性的同步提升。

聚酰胺薄膜复合膜因适配不同规模的过滤模块，成为目前应用最广泛的纳滤膜材料。但受限于传质机制，其性能提升面临两大核心挑战：

结构调控难题：理想的纳滤膜需要具备窄分布的明确孔径、与渗透物的精准相互作用及超薄选择层，但现有制备方法难以同时满足这些条件。

性能平衡困境：传统优化手段（如表面电荷修饰）多聚焦于单一性能提升（如截留率），却无法突破渗透性与选择性的负相关关系；部分通过缩小孔径分布提升选择性的方法，又会显著增加传质阻力，导致水通量下降。

尽管新兴微孔材料（如二维纳米材料、MOFs、COFs 等）曾展现出高渗透与高选择性的潜力，但因结构稳定性差、难以规模化制备等问题，实用价值有限。不过，这些材料的研究凸显了明确孔径分布与精细相互作用调控对提升膜性能的关键作用。

南开大学团队设计的分子工程方法，核心在于通过理性设计的季铵化三唑单体，经原位界面聚合构建 CTHP 结构，从分子层面实现对聚酰胺纳米膜的精准调控：

结构优化：CTHP 结构使膜材料形成明确的亚纳米级孔道，且孔径分布窄，同时赋予膜表面丰富的正电荷与极性。

传质增强：特殊的化学结构提供了低能垒的优先水分子结合位点，从能量角度促进水分子在膜内的容纳与扩散，有效抵消了孔径缩小可能导致的传质阻力增加。

实验与分子模拟结果显示，这种设计实现了尺寸筛分效应与 Donnan 排斥效应的协同增强：对二价阳离子的截留率超过99%；一价/二价阳离子的筛分选择性较原始基准膜提升9倍；水渗透性提升3倍，成功突破传统性能阈值；同时具备优异的化学稳定性与抗污染能力。

该研究提出的分子工程策略，通过可规模化的制备工艺，解决了聚酰胺纳滤膜长期存在的性能矛盾，为高性能聚合物膜的设计提供了全新思路。基于单体化学的多样性，这一方法有望拓展至更多精准分离场景，在清洁水制备、可再生能源开发等领域具有广阔应用前景，为应对水资源短缺与能源危机等全球性挑战提供了有力的技术支撑。

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