主要观点总结
本文介绍了天津工业大学胡云霞教授团队开发的通过界面聚合过程中气态二甲胺分子接枝到RO膜的聚酰胺上，实现RO膜甲基化的创新策略。该策略显著提高了RO膜的水渗透率、NaCl截留率及抗污染性能。实验结果和分子动力学模拟结果表明，甲基化PA对小带电有机污染物的吸收能量低于原始PA，减轻了污染物的吸收和堆积程度。这项工作为提高RO膜的抗污染性提供了新的视角和简单有效的甲基化方法。相关研究成果发表在《Nature Water》。
关键观点总结
关键观点1: 创新策略开发
天津工业大学胡云霞教授团队开发出一种将气态二甲胺接枝到RO膜聚酰胺上的策略，实现了RO膜的甲基化。
关键观点2: 性能提升
该策略显著提高了RO膜的水渗透率、NaCl截留率及抗污染性能，达到了高水渗透率3.84 l m −2 h −1 bar −1 和高NaCl截留率99.05%。
关键观点3: 防污性能优越
甲基化RO膜对小带电污染物的防污性能超过其他报道的防污膜和商业防污RO膜。长期性能稳定，经过多个污垢清洁循环后依然保持卓越性能。
关键观点4: 分子层面理解
通过分子动力学模拟，深入了解了DMA接枝对RO膜防污性能的机制，强调了减少羧基和静电相互作用的重要性。
关键观点5: 研究意义
这项工作为提高RO膜的抗污染性提供了新的视角和简单有效的甲基化方法，有望为废水处理和海水淡化应用提供可扩展、有效的解决方案。
正文
反渗透 (RO) 膜的使用寿命在用于工业废水处理时仅为几个月，而用于海水淡化时则为几年，这大大增加了 RO 的维护成本。鉴于此，为了提高分离和防污性能，从而延长 RO 膜的使用寿命，天津工业大学胡云霞教授开发了一种创新策略，通过在界面聚合过程中将气态二甲胺分子接枝到 RO 膜的聚酰胺 (PA) 上来甲基化 RO 膜。二甲胺（DMA）接枝RO膜实现了3.84 l m−2 h−1 bar−1的高水渗透率和99.05%的高NaCl截留率，并且对小有机带电污垢表现出前所未有的防污性能，超过了其他报道的防污膜和众所周知的商业防污RO膜(DuPont FilmTec Fortilife CR100)的上限阈值。实验结果和分子动力学模拟结果均表明，甲基化PA对小带电有机污染物的吸收能量低于原始PA，这减轻了污染物的吸收，降低了污染物的面密度和堆积松散程度，并且在PA内部的穿透深度更浅。本文工作表明，避免污染物渗透到PA内部并防止污染物堵塞PA的孔隙对于提高RO膜的抗污染性至关重要。这项工作利用分子动力学模拟从分子水平上对RO膜污染机理提供了新的视角，并开发了一种简单有效的甲基化方法来增强RO膜对小带电污染物的抗污染性。相关研究成果以题为“Methylation of reverse osmosis membrane for superior anti-fouling performance via blocking carboxyl groups in polyamide”发表在最新《Nature Water》。本文一作为天津工业大学秦一文。新颖的制造工艺涉及将气态DMA接枝到新生的PA层上。图1突出显示了化学改性，该工艺可防止酰氯水解，从而减少羧基形成（图1a）。通过XPS分析（图1b-g），光谱证实通过三级酰胺键形成成功进行了DMA接枝，羧基密度降低。具体而言，对应于三级酰胺（C-N键）的286.3 eV和400.1 eV处的峰验证了DMA整合，而533.2 eV处羧基的信号减弱反映了水解减少。DMA接枝的效率高达38.6%，高于水基方法。接枝率在8 mmol/L DMA浓度时达到峰值，与羧基密度的显著降低相关，支持有效甲基化（图1h-i）。这种气相方法可确保高反应性和快速接枝（30秒），克服了水性技术的局限性。作者揭示了甲基化对表面形态和性能的影响。形态变化（图 2a）：扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 图像显示 PA 表面更光滑、更薄，粗糙度降低（46 ± 3 nm，而原始膜为 62 ± 6 nm），表明 DMA 整合有效。表面特性实验证明，等电点移至负电荷较少（pH 4.2），增强了防污性能（图 2b-c）。亲水性增加，表现为水接触角减小（42° 对比原始 PA 中的 56°）。与原始 PA 相比，甲基化膜的水渗透率提高了 1.53 倍（从 2.51 到 3.84 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹），盐截留率几乎没有受到影响（99.05% 对比 99.58%）（图 2d-e）。DMA 接枝膜在一系列 DMA 气体浓度下保持结构完整性和功能性，在 8 mmol/L 时性能最佳。使用两种模型污垢剂测试防污效果：十二烷基硫酸钠(SDS，带负电)和十二烷基三甲基溴化铵(DTAB，带正电)。作者发现通量下降和恢复（图3a-b）：DMA改性膜的通量下降明显低于原始膜（DTAB为40.9%，SDS为21.5%），通量恢复率也高于原始膜（分别为87.0%和91.7%）。长期性能（图3c-d）表示，经过五个污垢清洁循环后，DMA膜保持了稳定指标的卓越性能，展现了其长期使用的潜力。经过DTAB的五个循环后，DMA接枝膜的通量下降率(FDR)为49.3%，而原始膜的通量下降率(FDR)为78.1%，通量恢复率(FRR)分别为74.2%和38.9%。作者比较分析（图 3e-f），DMA 改性膜的性能优于杜邦 FilmTec Fortilife CR100 等商业替代品，具有全面的抗污染性能。作者使用带耗散的石英晶体微天平(QCM-D)监测污垢吸附动力学（图4）。（1）吸附曲线表明（图4a-b）：与原始膜相比，DMA改性膜对DTAB的吸附量降低，与通量下降较低相关。SDS的吸附量较高，但通量下降幅度小于DTAB。（2）饼层特性（图4c-d）：DTAB在DMA接枝膜上形成的饼层更松散，耗散变化较大，表明粘附性较弱，结垢倾向降低。这些结果证实甲基化可降低静电相互作用并增强对SDS和DTAB的抵抗力。图 4. QCM-D监测带正电和负电的小污染物（包括SDS和DTAB）在原始PA和DMA-PA上的吸附行为以及吸附饼层的特性作者深入研究了DTAB与膜之间的分子级相互作用。图5a-d显示了吸附可视化：分子模型显示穿透DMA接枝PA的DTAB分子较少，最大穿透深度为2纳米，而原始PA的最大穿透深度超过3纳米。能量分析显示吸附能的降低，特别是库仑相互作用（降低了64.5%），解释了结垢趋势的降低（图5f）。模拟验证了实验观察结果，突出了DMA接枝在最大限度地减少污垢渗透和孔隙堵塞方面的功效。图 5. DMA接枝PA和原始PA上DTAB吸收的分子动力学模拟作者检查了吸附污垢的结构影响。DTAB 更深地渗透原始 PA，导致严重的孔隙堵塞，而 DMA 接枝 PA 的堵塞最小（图 6a-d）。分子级可视化表明，DTAB 在 DMA 接枝膜中的聚集明显更松散。通量影响（图 6e）表示，孔隙堵塞导致原始膜通量损失 85.7%，但当 DMA 改性膜被 DTAB 污染时，仅导致 53.6%。对于 SDS，由于其渗透深度较低且相互作用较弱，因此对两种膜类型的通量影响最小。这些发现强调了减少静电吸引力在减轻污染方面的关键作用。图 6. 原始PA表面和DMA接枝PA表面吸收并渗透到两种PA内部的DTAB和SDS的侧面图本研究率先使用DMA接枝对RO膜进行甲基化，实现了无与伦比的防污性能。主要成果包括：（1）卓越的分离效率：高水渗透性和NaCl排斥性，性能权衡最小。（2）增强的防污性：减少污垢吸附和渗透，从而提高通量恢复率并延长膜寿命。（3）分子洞察：模拟和实验数据阐明了防污机制，强调了减少羧基和静电相互作用的作用。DMA接枝膜超越了当前的行业标准，为废水处理和海水淡化应用提供了可扩展、有效的解决方案。未来的工作可能会探索进一步优化接枝工艺及其对其他膜技术的适用性。这份全面的总结反映了主要发现，并得到了实验和模拟数据的详细分析的支持，并为推进RO膜技术提供了可行的见解。
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
