哈尔滨工业大学《Nature Water》| 可持续纳滤膜实现超快净水+自然降解

材料探界新语 2025年11月23日 23:12 山东

近日，《Nature Water》发表了一项突破性研究：哈尔滨工业大学研究团队成功研制出一种可持续纳滤膜（SNFM），不仅净水性能超越商用膜，更能在6个月内被土壤微生物完全降解，真正做到“从自然中来，回自然中去”。

摘要

具有受限纳米孔隙的纳米过滤膜对于实现分子和离子分筛，实现可持续生态系统的节能至关重要。然而，现代纳米过滤膜的生产仍依赖于有害的石化化学品，这带来了严重的水污染问题，并使使用后的处理更加复杂。这一现象与绿色化学原理衍生的膜的可持续性相悖，强调了其环保应用，也强调其制备和使用寿命的终结。本文我们报告了通过采用集成低危害化学品、更安全的方法，合成出具有优越水处理性能和固有天然土壤降解机制的可持续纳米过滤膜（SNFM）。实验和模拟证实，我们的SNFM可以以环保方式制造，并由天然土壤微生物分解，从而赋予其独特的环保特性。值得注意的是，SNFM展现了卓越的水渗透性以及分子和离子筛分能力，优于商业和最先进的膜。这一方法为下一代水资源回收和可持续化学工艺奠定了新范式。

背景

纳滤（NF）膜依托纳米孔的分子 / 离子筛分效应，是实现水质净化、水资源回收及环境可持续发展的核心技术。然而当前 NF 膜存在显著的全生命周期非可持续性问题：制备环节依赖石化基有害且不可生物降解的化学品，违背绿色化学少害合成、节能及可降解设计等核心原则；生命周期末端，全球年产生 7.3 万吨废弃 NF 膜，80% 填埋后分解为微塑料污染水体与食物链，12% 焚烧释放一氧化碳，严重威胁生态与人类健康。现有改进尝试包括采用 TamiSolve、三乙基磷酸盐等低危害溶剂及藻类生物量、木质素碱等低毒单体优化制备工艺，选用纤维素、动态共价交联纳米纤维等材料推动废膜降解，但前者仍不可避免依赖部分有害试剂，后者依赖蛋白酶或有害试剂的降解策略与绿色化学及实际应用不兼容。因此，研发贯穿绿色制备与自然降解的全生命周期可持续 NF 膜，已成为该领域亟待解决的核心目标。

【技术解读：这款“神奇”的膜是如何炼成的？】

本研究最大的创新在于，它从源头到终点，重新设计了纳滤膜的整个生命周期。

1. 绿色制备：“从毒窝到温室”的原料革命

• 传统膜（TCM）：使用聚丙烯腈（PAN）、间苯二胺（MPD） 等有毒单体，以及二甲基甲酰胺（DMF）、正己烷等高风险溶剂。

• 可持续膜（SNFM）：核心原料全面“绿化”。

• 基底：采用可再生的聚乳酸（PLA）。

• 活性层单体：使用生物质来源的木糖醇和多巴胺（DA）。

• 溶剂：采用低危害的二甲基亚砜（DMSO） 和油酸（OA）。

生命周期评估（LCA）证明，SNFM制备过程的整体碳排放远低于传统膜。更直观的证据来自大肠杆菌实验：在传统膜原料环境中，细菌几乎无法存活；而在SNFM原料环境中，细菌反而生长得更旺盛，有力证明了其原料的生物相容性与低毒性。

2. 性能卓越：“跑得快且拦得准”的过滤高手

通过巧妙的界面聚合工艺，SNFM表面形成了致密且不规则的条纹结构。这不仅是其高选择性的关键，也增强了水与膜的相互作用，让水分子能更快速地通过。

• 水通量：高达 100.7 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，分别是商业膜（GC-NF5001）和传统膜的 928% 和 212%！

• 截留率：对刚果红等染料分子的截留率稳定在 99.9% 以上。

• 抗污染与稳定性：连续运行14天，性能无衰减，抗污染性能优异。

3. 自然降解

这才是本研究最令人振奋的部分。当SNFM结束使命后，它能被大自然“回收”。

• 实验室降解：在蛋白酶K溶液中，5天内降解率高达99.4%。

• 土壤降解：埋入土壤6个月后，膜基本消失，降解率超过90%。而传统膜在同样条件下几乎完好无损。

• 降解机制揭秘：研究人员通过微生物组学分析发现，土壤中的德尔夫特菌（Delftia） 和蒂西耶菌（Tissierella） 是降解膜的主力军。它们将膜材料作为食物源，通过脂肪发酵代谢途径，将其最终分解为乳酸、低聚物和儿茶酚等无害产物。毒性测试表明，这些降解产物对微生物生长无害。

图1 SNFM可持续性的示意图。通过更安全的制备工艺合成了具有优越受限分子和离子筛分能力的SNFM，使用低危害化学品，包括PLA、木糖醇、DA和OA，并可被典型土壤微生物有机降解。

图2 SNFM的制备及原材料危害。a，SNFM的表面扫描电子显微镜图像（放大倍数50,000×）。b、SNFM合成过程MD模拟的快照。c，在SNFM模拟系统中，DA与木糖醇分子之间的氢键数量（上方）及其在界面（下方）增加的数值（ΔN）曲线。d，SNFM合成过程中DA、木糖醇和TMC反应的Gibbs自由能。e，TCM和SNFM系统的LCA。中尉，土地改造。中医系统也存在生物源和LT影响，但这些影响太小，无法在此观察（具体数据见补充表4）。f，空白组和SNFM组中大肠杆菌的生长图像。

图3 SNFM的降解机制及产物。a， SNFM在0、3和6个月自然土壤退化后的图像。b，3个月（左）和6个月（右）时SNFM表面被土壤微生物降解的SEM图像（放大倍数：50,000×）。c、基于土壤微生物的SNFM降解速率。插图：土壤微生物在0、3和6个月时SNFM降解的快照。d，原始土壤和SNFM土壤中群落丰度百分比。e， 原始土壤和SNFM土壤中不同功能物种的群落丰度。f，原始土壤和SNFM土壤中酶的丰度。g，SNFM的降解产物。h，SNFM降解产物对大肠杆菌生长的影响。插图：含有SNFM降解产物的溶液中大肠杆菌的生长图像。误差条以h表示s.d.（n=3，n来自不同的实验单位），数据以s.d.±平均值表示。

图4 a， 商业GC-NF5001、TCM和SNFM的纯水渗透性和CR拒绝。b， 商业GC-NF5001、TCM和SNFM在多种活性水溶液分子存在下的性能。c， 商业GC-NF5001、TCM和SNFM与先进膜的分离性能比较：分子多孔交联膜（MPCM）43，GO-TBO（石墨烯氧化物-甲苯胺蓝O）44QL-COF（4-羧基-喹啉联联有机框架）45，PGO（多孔石墨烯氧化物）46ZIF-8/GO（沸石质吡啶醇酯框架-8/氧化石墨烯）47TFCM（薄膜复合膜）24，MOA（自组装多嵌段寡聚胺）48以及盐介导聚酰胺49用于去除水中的 CR。d，商业GC-NF5001、TCM和SNFM用于CR和盐类的渗透率和分离系数。e，不同CR浓度在水溶液中CR/NaCl对膜性能的影响。f，商业GC-NF5001、TCM和SNFM在CR/NaCl水溶液中的运行稳定性。插图：SNFM抑制污染物吸附的示意图。误差条在a、b和d–f中表示S.D.（n=3，n来自不同的实验单位），数据以s.d.±平均值表示。

结论

总之，通过系统设计方法，从原材料到协同制造和合成方法，成功开发出具有更绿色生命周期、高效水处理的SNFM。LCA和大肠杆菌存活实验证明，SNFM可以更安全地制备，使用比中医所用原料更安全的环境影响和危害，体现在CO₂排放更低和大肠杆菌生长增强。巧合的是，酶和土壤降解分析还表明SNFM可被蛋白酶K在5天内降解，Delftia和Tissierella属则可在6个月内降解，而商业GC-NF5001和TCM均无降解性，表明膜的可持续性。更重要的是，SNFM展现出高达100.7升的高渗透率−2h−1酒吧−1（比GC-NF5001和TCM高出928%和212%），出色的排斥性能，高分子和离子分离系数，卓越的防污能力和作稳定性，以及卓越的商业和先进膜。这种基于膜的可持续策略开辟了新路径，丰富了设计下一代膜以适应多种应用的化学体系。

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原文：https://doi.org/10.1038/s44221-025-00492-x