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  由于人口增長和工業化引起的水資源短缺和污染問題，使全球經濟和社會可持續發展面臨巨大的挑戰。以高能效和技術成熟為特征的膜分離技術已廣泛應用于海水淡化，飲用水軟化和工業廢水處理等分離過程中。通常，商業聚酰胺復合膜為三層結構，由無紡布、超濾層和聚酰胺致密層組成。其中無紡布和超濾層用作支撐載體，而致密聚酰胺層則賦予膜材料高效的分離特性。然而，目前聚酰胺復合膜的滲透選擇性由于受致密分離層的本征形貌和結構的限制，在實際應用中導致了較高的能耗。

  最近，河南師范大學遠冰冰博士與深圳大學高等研究院牛青山教授等人在聚砜基底上設計了具有非對稱結構的雙層聚酰胺膜。其中下層為樹枝狀聚酰胺大分子多孔層，由樹枝狀聚酰胺胺大分子末端大量的胺基通過重氮化-偶合反應在基底表面原位共價自組裝而成。上層為多功能酰氯與胺單體經界面聚合反應制備的具有有序納米空隙的超薄聚酰胺致密層。進一步地，通過制備多層樹枝狀大分子層來改變基底極性和改變界面聚合反應時間可對致密聚酰胺層的形貌進行精準調控。

圖1（a）芳香族樹枝狀聚酰胺胺大分子多孔層形成過程（b）界面聚合法制備超薄聚酰胺膜過程。

圖2 非對稱聚酰胺膜的（a）表面TEM圖像（b）橫截面SEM圖像

  所制備的聚酰胺膜表現出優異的水滲透性（約270kg·m^?2· h^?1·MPa^-1），與傳統聚酰胺膜相比提升了約4倍，同時保證了對硫酸鎂的高截留率（約99.1%）。該團隊將滲透性的增加歸因于以下因素：（1）三維剛性的樹枝狀大分子具有豐富的分子內孔和大量的親水端基，這使得原位共價自組裝后的基底的純水通量提高，促進了水分子的傳輸；（2）顯著變薄的聚酰胺致密層降低了水的傳輸阻力；（3）聚酰胺致密層表面大量的高度均勻有序的中空納米帶結構可以增加有效膜面積，從而進一步提高水滲透性。另外，相關測試結果也表明該新型聚酰胺膜具有良好的操作穩定性和出色的離子選擇性。

圖3 非對稱聚酰胺膜對于（a）MgSO₄（b）Na₂SO₄的水滲透性與水-鹽滲透選擇性關系圖

  總之，通過設計調節納濾膜材料的結構和形貌突破了傳統的trade-off上限。這項工作將會激發更多的關于薄層復合膜的結構設計研究，并應用于高性能反滲透膜、有機溶劑納濾膜和滲透汽化膜等膜材料的制備過程。

  這一成果近期發表在Nature Communications上，通訊作者是遠冰冰博士和牛青山教授。上述工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19809-3