在水处理和物料分离过程中，严重的膜污染导致其分离性能下降，需要频繁的化学清洗，导致运行成本增加和使用寿命缩短，限制了纳滤膜的进一步推广应用。

目前，商业纳滤膜主要是通过在多孔超滤基膜上界面聚合而得，亲水的荷负电聚酰胺分离层可以有效截留多价离子和分子量大于200Da的荷负电有机分子，并具有较为优异的抗污染能力。但在处理荷正电有机分子（如阳离子染料）或重金属时的抗污染能力有待提高。纳滤膜的抗污染能力受其亲水性、荷电性、表面粗糙度等影响，因此聚酰胺层的物化特性及结构对其抗污染能力有着复杂的影响，但这方面的系统研究非常缺乏。

制备具有优异抗污染能力的纳滤膜对于其广泛应用至关重要，但它们应该具有哪些物化特性和结构特征？这个问题的答案不仅有助于设计和制备具有优异抗污染能力的纳滤膜，还可指导在不同应用中快速筛选合适的商业纳滤膜。因此，针对上述背景，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室生物膜分离技术与应用团队以NF270（DOW）、NFA4（美易）和DK（VEOLIA）三种纳滤膜为代表，比较了不同荷电污染物（即牛血清蛋白、绿原酸、溶菌酶和亚甲基蓝）对膜的污染行为，并对污染前后的纳滤膜进行了表征，以揭示不同污染物与膜之间的相互作用。基于污染数据和表征结果，探索了纳滤膜的抗污染机理，并深入讨论了抗污染纳滤膜的制备策略（图1）。

图1 膜污染机理和优异抗污染性能的纳滤膜

如图2所示，死端恒通量洗滤模式下，NF270对荷负电污染物的抗污染能力较差，DK表现出优异的抗污染性能。出乎意料的是，DK对荷正电污染物的抗污染能力极差。通过对纳滤膜进行表征发现，NF270虽然表面光滑且亲水，但其具有较宽的孔径分布（图3b），这将导致过滤时通量分布不均，大孔处（具有较高的局部通量）更容易形成污染。DK膜虽然具有较窄的孔径分布（横向均一性），但是强静电吸引和粗糙的表面结构（图3c）的协同作用为亚甲基蓝的沉积提供了足够的作用力和吸附位点，导致严重膜污染形成。

图2 （a）荷负电污染物和（b）荷正电污染物25 °C过滤时纳滤膜的通量衰减（FDR）和溶质截留率

图3 三种纳滤膜的（a）中性物质截留率，（b）孔径分布和（c）表面粗糙度

此外，还考察了膜分离层结构与其抗污染性能的关系。通过XPS深剖数据（图4）可知随着剖析深度增加，DK膜中O=C-O和N-C=O基团含量没有显著差异，证明分离层具有纵向均匀性。这是NF270和NFA4所不具备的特性。同时DK膜具有横向均匀性（较窄的孔径分布），表明其聚酰胺层显示出高度均一性。均一结构不仅可以提高膜在高温和极端pH下的抗溶胀性，而且有效避免局部通量差异导致的污染发生和扩散。

图4 （a）NF270，（b）NFA4和（c）DK膜高分辨O1s峰的XPS深剖

图5 不同纳滤膜的结构-性质-性能关系总结

本研究旨在了解聚酰胺纳滤膜对不同荷电污染物的抗污染机理，并首次通过结构-性能关系的分析，为制备抗污染膜提出了初步建议。这项工作将纳滤膜的应用和制备联系起来，以提高抗污染性能，从而弥补了学术界和工业界之间的知识鸿沟。本研究得到国家重点研发计划项目(2021YFC3201401)、山东省重点研发项目(2019JZZY010348)和湖南澳维科技股份有限公司的资金支持。相关研究成果以《A nanofiltration membrane with outstanding antifouling ability: exploring the structure-property-performance relationship》发表在Journal of Membrane Science（DOI：10.1016/j.memsci.2022.121205），点击文末阅读原文可直达。

第一作者：刘露露直博生

中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室在读直博生。本科毕业于华中农业大学食品科学与工程专业。主要研究方向为抗污染纳滤膜制备与应用，以第一作者在Journal of Membrane Science, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Membranes, Journal of the Science of Food and Agriculture等期刊发表SCI收录论文5篇。