全球水资源短缺问题日益严峻，超过三分之一人口面临水资源压力，预计到2025年该比例将升至近三分之二。反渗透（RO）膜技术作为海水淡化和水回用的核心手段，依赖于界面聚合制备的聚酰胺膜，但其制造过程中使用的胺类单体（如MPD）具有神经毒性和生殖毒性，对健康与环境构成威胁。尽管天然提取物（如多酚类化合物）具备环保特性，但是其低反应活性难以满足RO膜高截留率的要求。
针对以上问题，苏州大学靳健教授、朱玉长教授团队展示了通过界面催化聚合（ICP）策略开发可持续聚酯薄膜用于膜淡化脱盐的研究。传统聚酰胺反渗透膜依赖具有毒性的胺类单体（如间苯二胺，MPD），存在显著健康风险。该项研究利用天然来源的酚类和醇类化合物作为无毒、经济且环保的单体替代品，通过界面催化聚合提升反应动力学与聚合控制，形成均匀致密的聚酯薄膜。所制得的膜表现出优异的脱盐性能（NaCl截留率99.2%；15 bar压力下通量31.7 L m⁻² h⁻¹），性能与商用BW30膜相当，并验证了其在实际模块化应用中的潜力。该工作为开发可持续天然衍生膜材料提供了新路径。这项研究为进一步开发用于脱盐技术的可持续、天然衍生膜材料铺平了道路。
相关研究成果以“Sustainable polyester thin films for membrane desalination developed through interfacial catalytic polymerization”为题，于2025年4月7日发表在Nature Water上。苏州大学博士生刘莹为论文第一作者，方望熹研究员为共同第一作者。
靳健，苏州大学特聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。2008年入选中国科学院“百人计划”。致力于高分子膜材料、仿生超浸润膜及纳米孔材料的设计制备及在海水脱盐、离子和小分子分离、水净化、二氧化碳及燃料气体纯化、生物医用分离等领域的研究。在Nat. Mater.、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Proc. Natl. Acad. Sci.等期刊发表论文180多篇，论文共被引用18000余次，H-index：65。
朱玉长，2009年从安徽理工大学本科毕业；2015年7月从中国科学院大学毕业，获理学博士学位。2015年7月加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，先后任职博士后和副研究员岗位。2024年2月到苏州大学材料与化学化工学部工作。以第一作者/通讯作者身份在Nat. Commun.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、J. Membr. Sci.等国内外期刊上发表论文40余篇。
图1 TA基聚酯膜的制备及结构表征
图1展示了TA基聚酯膜的制备与结构表征。作者通过界面催化聚合（ICP）将植物来源的单宁酸（TA）与三甲基氯（TMC）反应，CTAC作为界面催化剂形成定向组装（图1c）。分子动力学模拟表明，ICP生成的聚酯网络自由体积更小（图1d-f），平均孔径为4 Å（IP法为10 Å）。透射电镜显示ICP膜活性层厚度仅40 nm，远低于传统IP法的242 nm（图1g-h）。该结构特性使膜具备高截留能力，同时减少有毒单体使用。
图2 ICP机理研究
图2研究了ICP反应机理。固态¹³C NMR显示ICP法酯键峰强度是传统IP法的8.13倍（图2a），表明CTAC显著提升反应活性。UV-vis光谱证实TA与CTAC形成酸碱离子对（图2b），界面实时监测显示CTAC加速了TA消耗（图2c）。密度泛函理论计算表明，CTAC通过降低反应能垒促进中间体生成（图2d）。此外，CTAC浓度优化实验表明1200 µmol L⁻¹时膜孔径最小（0.41 nm），NaCl截留率达99.2%（图2g）。
图3 TA基聚酯膜的脱盐性能和防污性能
图3对比了TA基膜与商用BW30膜的性能。TA基膜在15 bar压力下NaCl截留率99.2%，通量31.7 L m⁻² h⁻¹，且随压力升高性能稳定（图3a-b）。表面形貌分析显示TA基膜粗糙度（Rq=4.46 nm）远低于BW30（Rq=58.4 nm）（图3c-f）。抗污染实验中，TA基膜对BSA和SA的污染恢复率分别达97.0%和98.3%，显著优于BW30（图3g-h）。单体溶出测试表明TA基膜环境风险更低（图3i-j）。
图4 中试规模膜和模块的制备和性能
图4验证了ICP策略的规模化应用。通过卷对卷涂覆技术制备的TA基膜（幅宽0.35 m）在模块化测试中表现出高度一致性（图4a-c）。螺旋卷式模块对市政自来水处理显示，盐度从262 mg L⁻¹降至25 mg L⁻¹，SO₄²⁻截留率>98%（图4f）。该结果证明TA基膜具备工业化潜力，兼顾效率、安全性与可扩展性。
该项研究通过界面催化聚合（ICP）策略，以天然提取物（如单宁酸、葡萄糖等）替代传统胺类单体，成功制备了高性能聚酯反渗透膜。界面催化剂CTAC的引入不仅降低了反应能垒，还通过调控界面pH与单体扩散，形成了更薄、更致密且表面光滑的聚酯活性层。TA基聚酯膜在实验室与螺旋卷式模块规模下均表现出与商用膜相当的脱盐性能（截留率>99%，通量稳定），同时具备优异的抗污染性和低单体溶出风险。规模化制备实验验证了ICP策略的技术可行性，为发展环境友好型脱盐膜技术提供了重要基础。
Liu, Y., Fang, W., Yue, Z. et al. Sustainable polyester thin films for membrane desalination developed through interfacial catalytic polymerization. Nat Water (2025). https://doi.org/10.1038/s44221-025-00419-6