在海水淡化領(lǐng)域，傳統(tǒng)膜材料長(zhǎng)期面臨“水分子通得快，鹽分卻攔不住；攔得住鹽，水又流不暢”的性能瓶頸。海南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授姜忠義、劉亞楠團(tuán)隊(duì)研究設(shè)計(jì)出了“沙漏形納米通道”共價(jià)有機(jī)框架膜（COF膜），在實(shí)現(xiàn)高水通量的同時(shí)顯著提升鹽截留率，為新一代海水淡化膜材料的性能突破提供了重要方向。該研究成果近日在《自然·通訊》發(fā)表。

海南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授劉亞楠介紹，當(dāng)前，國(guó)際上海水淡化膜研究正處于由傳統(tǒng)材料優(yōu)化邁向新型多孔材料創(chuàng)新突破的關(guān)鍵階段，其中，COF材料因具有高比表面積、規(guī)則可調(diào)的微孔結(jié)構(gòu)以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，被視作下一代海水淡化膜的“潛力股”。然而，受限于微觀(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的難度，傳統(tǒng)COF膜普遍存在孔徑偏大、難以有效攔截水合鹽離子的問(wèn)題，導(dǎo)致“水鹽同行”、截留率偏低，難以滿(mǎn)足工程化要求。

為破解這一難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的“沙漏形”納米通道，采用“分步組裝”方式將氨基環(huán)糊精納米顆粒精確定位在膜通道口，形成“前寬后窄”的異質(zhì)通道。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)水分子的快速導(dǎo)入與高效輸運(yùn)，同時(shí)在狹窄段精準(zhǔn)攔截鹽分，有效協(xié)同“快輸水”與“強(qiáng)截鹽”兩個(gè)核心性能。同時(shí)，該膜還具備pH響應(yīng)功能，可根據(jù)環(huán)境酸堿度自動(dòng)調(diào)節(jié)通道狀態(tài)：酸性條件下通道收縮，有利于提高鹽截留率；堿性條件下通道擴(kuò)張，可增強(qiáng)水通量，適用于不同用水場(chǎng)景下的需求切換。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該膜在低壓條件下即可實(shí)現(xiàn)超高水通量與高鹽截留率，并展現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、抗氯能力以及pH循環(huán)耐受性，具備向工程化轉(zhuǎn)化的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，這項(xiàng)技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室走向小規(guī)模測(cè)試，潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括海水及苦咸水淡化、高鹽廢水處理、智能膜分離系統(tǒng)以及特定離子分離場(chǎng)景等。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將這一通道設(shè)計(jì)理念推廣應(yīng)用到其他類(lèi)型的多孔材料中，如金屬有機(jī)框架材料，進(jìn)一步提升膜材料在精準(zhǔn)分離與適應(yīng)性方面的性能。同時(shí)，結(jié)合人工智能輔助模擬優(yōu)化膜結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性，推動(dòng)膜材料向功能集成、定制化方向發(fā)展，為資源回收與水處理技術(shù)升級(jí)提供可行路徑。

“我們希望這類(lèi)膜材料成為下一代水處理技術(shù)的關(guān)鍵載體，不僅在海水淡化領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，也能在化工分離、能源轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)展現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值，為全球水資源可持續(xù)管理貢獻(xiàn)中國(guó)智慧?！眲嗛硎?。

（記者 王曉櫻 通訊員 張 陽(yáng)）

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