浙大张林Science：有了这张超强纳滤膜，海水淡化还远吗？

第一作者：Zhe Tan

通讯作者：张林

第一单位：浙江大学

研究亮点

1.发展了一种制备具有纳米图灵结构纳滤膜的界面聚合工艺，脱盐净水性能超过传统纳滤膜3倍以上。

2.发现在图灵结构中存在高透过性活性位点，极大增强了水的透过性。

1952年，图灵发表《形态发生的化学基础》 (The Chemical Basis of Morphogenesis) ，从理论上阐述了两个化学物质在特定反应条件下，怎样扩散和反应才能形成时空稳态结构。直到论文发表 40 年以后，才有人从实验上证实他的理论。自从论文问世以来，图灵的理论就开始对基础研究显现出独特的指导，设计和发展图灵结构对于化学和生物学的实际应用具有重要作用。

图灵结构往往出现在热力学不平衡的反应 - 扩散过程中。当扩散速率不平衡时，快速运动的抑制剂控制缓慢运动的活化剂的运动，就会产生图灵结构，图灵结构形成的恒稳态系统对微小的非均相扰动非常灵敏。

为了得到图灵结构，常用的方法有 2 种：

1）引入 PVA 等大分子，可以和活化剂可逆结合。

2）采用均匀分散的非均相多相反应体系，使活化剂停留在低速运动相。

有鉴于此，浙江大学张林教授课题组结合理论和实验，报道了一种具有纳米图灵结构的聚酰胺纳滤膜，具有优异的脱盐净水性能。

图 1. 界面聚合形成纳米图灵结构

研究人员采用了一种界面聚合策略来生长聚酰胺薄膜，生长过程中，聚合反应发生在油 - 水界面。通过控制反应条件来控制薄膜的形貌，确保形成的薄膜具有气泡和管状结构。

研究人员在油相中加入抑制剂 TMC ，在水相中加入活化剂聚乙烯醇。 PVA 以氢键和活化剂结合，增强溶液粘度，减缓单体的扩散速率。相比传统纳滤膜，该方法产生的纳米图灵结构纳滤膜，具有更多的凸起，更多的空隙和更多的岛状结构。

图 2. 具有图灵结构的薄膜

具有纳米图灵结构的聚酰胺薄膜由于其独特的结构特征，具有更好的净水脱盐性能，不论是水的透过性还是水 - 盐分离性能，都超过了传统薄纳滤。

除此之外，研究人员还发现，在图灵结构中存在能让水高速透过的活性位点，极大地增强了水的透过性。

图 3. 薄膜中水透过性位点的空间内分布

总之，该研究发展了一种纳米图灵结构的纳滤膜，在海水淡化和工业废水脱盐等领域具有重要的实用前景。

张林，浙江大学教授。兼任工业生物催化国家地方联合工程实验室副主任、膜与水处理技术教育部工程研究中心副主任。