反滲透（RO）是目前最先進的海水淡化技術，由于其高脫鹽效率，低能耗和占地面積小，已被公認為是解決淡水資源短缺的重要途徑。目前，聚酰胺薄層復合膜由于其高通量和高截留已經成為市場主流，但仍然存在耐氧化性差的問題，而氯消毒是控制淡水生產中生物污染的重要策略。因此，研究人員們一直在大力尋找新型耐氯聚合物材料。磺化聚醚砜被認為是有前景的材料，但由于其磺酸基團直接連接在聚合物主鏈上，可能會降低其對水分子的可及性，限制水在膜中的快速傳輸。這就鼓勵研究人員對聚合物進行更豐富的分子設計，同時了解聚合物鏈結構與其基本的水鹽傳輸特性之間的關系，為制備高性能反滲透海水淡化膜提供方向。
近日，天津工業大學材料科學與工程學院孟建強教授聯合天津理工大學匙文雄教授，基于威廉姆斯合成的縮聚反應設計了一系列新型親水性聚醚砜（HPES）共聚物。選取巰基乙酸、DL-半胱氨酸鹽酸鹽和2-（二甲氨基）乙硫醇鹽酸鹽三種親水分子，通過巰基-烯點擊化學制備了羧基、半胱氨酸基和氨基含量可控且可及性更高的HPES-TGA、HPES-CYSAH、HPES-DMAET聚合物。將溶解擴散理論和分子動力學模擬相結合，研究了親水基團類型和含量對親水化聚醚砜的水鹽傳輸特性的影響。與相當親水基團含量的磺化聚砜（SPSF）相比，所設計的HPES膜，尤其是HPES-CYSAH膜，表現出優異的理想脫鹽性能。
圖1 (a)親水化聚醚砜(HPES)的合成示意圖；(b)擴散水滲透性()與水溶解系數的倒數(1/Kw)之間的關系；(c)水擴散系數(Dw)與1/Kw的關系
圖4 (a)水/鹽溶解選擇性(Kw/Ks)作為Kw的函數；(b)水/鹽擴散選擇性(Dw/Ds)作為Dw的函數；(c)通過模擬統計的水合膜的自由體積尺寸分布(FVD)；(d)水/鹽滲透選擇性(/Ps)作為擴散水滲透率()的函數；(e)導致HPESB-CYSAH和HPESC-CYSAH的水鹽運輸特性差異的機制
該研究團隊認為將可及性更高的大體積親水基團（特別是兩性離子基團）連接在聚醚砜主鏈上，有望成為制備具有高透水性和高水/鹽選擇性的化學穩健脫鹽膜的有效策略。聚合物膜的水鹽傳輸研究與分子模擬相結合是探索海水淡化膜材料構效關系的有力手段。尤其是模擬聚合物的自由體積分數和孔徑分布，聚合物與水之間的氫鍵數量反映基團的水化能力，以及鹽水中聚合物膜的模擬狀態，對未來高性能海水淡化膜的分子設計具有重要意義。該工作以“Molecular design of hydrophilized polyethersulfone to enhance water/salt selectivity”為題發表在高分子領域權威雜志《Macromolecules》上。文章的第一作者是天津工業大學博士生研究生張琛琛與天津理工大學研究生隋赫羽，通訊作者為孟建強教授和匙文雄教授。該研究得到國家自然科學基金委和分離膜與膜過程國家重點實驗室的支持。
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.2c02285
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