随着环境污染加剧与水资源日益紧张，开发绿色、安全、可持续的水处理技术已成为全球研究热点。纳滤膜作为高效分离技术的重要组成部分，近年来在工业废水处理与资源回收方面应用广泛。然而，传统纳滤膜通常依赖石油基原料，制备过程涉及有毒有害溶剂，膜材料难以降解，严重制约了其环境适应性和可持续发展潜力。因此，如何构筑从原料选择、制备工艺到废弃降解全过程均符合绿色化学原则的新型膜材料，成为膜科学领域亟待解决的核心挑战。
该研究不仅填补了可持续纳滤膜技术在降解性与高性能并重领域的空白，也为膜材料的绿色设计与产业化应用提供了新范式。相关研究成果以“Sustainable nanofiltration membranes enable ultrafast water purification”为题，9月17日发表于《Nature Water》。
研究表明，绿色可持续纳滤膜在染料废水处理过程中表现出超高水通量（达100.7 Lm-2h-1bar-1），对刚果红等有机活性分子的截留率达99.9%，其分离性能显著优于目前商业膜与先进研究膜。更为重要的是，该膜在酶环境和自然土壤中可被典型微生物完全降解，6个月内降解率达90%以上，降解产物对环境及微生物无毒性，真正实现“源头绿色—使用高效—末端可降解”的全生命周期可持续膜技术。
图1 可持续纳滤膜（SNFM）的可持续性策略示意图
图1 展示了可持续纳滤膜（SNFM）的可持续性策略示意图。该膜通过使用低危害化学品（包括聚乳酸 PLA、木糖醇、多巴胺 DA 和油酸 OA）进行更安全的制备过程合成，具有优异的受限分子和离子筛分能力。该示意图描绘了其制备过程：分子/离子水相与油相在 PLA 基底上进行界面聚合形成 SNFM。更重要的是，该图还说明了 SNFM 在寿命终结后可被土壤微生物有机降解，实现自然的循环，突出了其从制备、高效水处理（能源效率应用）到最终降解的全生命周期可持续性。
图2 SNFM 的制备过程及其原料的危害性分析
图 2 展示了 SNFM 的制备过程及其原料的危害性分析。图 a 显示了 SNFM 表面的扫描电镜图像，呈现出致密且不规则的条纹结构。图 b 通过分子动力学模拟展示了 SNFM 合成过程的快照。图 c 揭示了 DA 和木糖醇分子间氢键的数量及其在界面处数量的增加曲线，解释了二者通过氢键强相互作用共同向界面扩散并形成致密选择层的机理。图 d 显示了 DA、木糖醇与 TMC 反应的吉布斯自由能，表明竞争反应的存在导致了不规则条纹结构的形成。图 e 通过生命周期评估比较了 TCM 和 SNFM 系统的 CO₂ 排放等情况，表明 SNFM 系统总体 CO₂ 排放更低，且因其使用快速生长的生物质和增加碳去除的土地管理实践而成为强大的碳汇。图 f 通过大肠杆菌生长实验直观对比了空白组与 SNFM 原料组的毒性，证实 SNFM 所用原料无害甚至促进细菌生长，远优于 TCM 原料的强毒性。
图3 SNFM 的降解机理及其产物
图 3 阐述了 SNFM 的降解机理及其产物。图 a 显示了 SNFM 在自然土壤中埋藏 0、3、6 个月后的形态变化，证实其逐渐降解。图 b 的扫描电镜图像显示了被土壤微生物降解 3 和 6 个月后 SNFM 表面逐渐出现孔隙和裂纹。图 c 定量展示了 SNFM 基于土壤微生物的降解率在 6 个月后高达 90%，远高于 TCM。图 d 和 e 通过微生物群落分析表明，SNFM 作为碳源选择了特定降解菌属（如 Delftia 和 Tissierella），并富集了塑料降解和发酵功能菌群。图 f 显示发酵相关酶（如乙酰-CoA 相关酶）的丰度在 SNFM 土壤群落中显著增加，表明脂肪发酵是主要降解途径。图 g 和 h 通过液相色谱-质谱分析确定降解产物为乳酸、PLA 低聚物和儿茶酚等，并通过大肠杆菌毒性试验证明这些产物低危害，甚至能显著促进细菌生长。
图4 SNFM 的分离性能
图 4 系统比较并展示了 SNFM 的分离性能。图 a 显示 SNFM 的纯水通量高达 100.7 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，是对照 TCM 和商业 GC-NF5001 膜的 212% 和 928%，同时对刚果红染料的截留率高达 99.9%。图 b 表明 SNFM 在处理不同活性染料分子（如 CR, IG, EB）时均表现出高溶液通量和超过 99% 的优异截留率。图 c 的性能对比图进一步表明 SNFM 的性能优于多种当前最先进的膜材料。图 d 显示 SNFM 在染料/盐混合溶液中具有高溶液通量和分离因子，尤其在单价阴离子体系中分离因子更高，这归因于膜表面负电荷引起的唐南效应。图 e 表明 SNFM 在不同刚果红浓度下保持高且稳定的通量和分离因子。图 f 证明了 SNFM 在连续运行 14 天处理 CR/NaCl 溶液过程中，能保持高通量和持久的高分离因子，这得益于其优异的抗污染能力，其表面亲水性可形成水化层抑制污染物吸附，示意图形象地展示了这一机制。
通过从原材料到协同制备与合成方法的系统设计策略，该研究成功开发出一种具有更绿色生命周期的高效水处理用可持续纳滤膜（SNFM）。生命周期评估（LCA）和大肠杆菌存活实验表明，与传统复合膜（TCM）相比，SNFM 的制备过程更安全，所使用的原材料具有更低的环境影响和危害性，具体体现为更低的 CO₂ 排放和促进大肠杆菌生长。酶降解和土壤降解分析表明，SNFM 可在 5 天内被蛋白酶 K 降解，并在 6 个月内被 Delftia 和 Tissierella 属微生物降解，而商业 GC-NF5001 膜和 TCM 均未显示出可降解性，这证明了 SNFM 的可持续性。更重要的是，SNFM 展现出 100.7 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹ 的高水通量（比 GC-NF5001 和 TCM 分别高 928% 和 212%）、优异的截留率、高的分子/离子分离因子、卓越的抗污染能力和运行稳定性，其性能优于商业及当前最先进的膜。
总的来说，文章提出了全生命周期绿色纳滤膜的解决方案，在“性能–可持续性–降解性”三方面都取得突破，对未来可持续水处理和膜分离技术具有里程碑意义。
