综述：膜技术除水中病毒新突破：创新改性策略守护水安全

为解决传统水处理方法难以有效去除水中病毒的问题，同济大学的研究人员开展膜改性策略去除水中病毒的研究。结果表明多种膜改性策略可提升病毒去除效率。推荐科研读者阅读，助力深入了解相关前沿技术12。

　　

在当今世界，水的安全至关重要，可水传播的病原体却成了隐藏在水中的 “大麻烦”，尤其是水传播病毒，像诺如病毒（NoVs）、肠道病毒（EVs）、甲型肝炎病毒（HAVs）和轮状病毒（RoVs）等。这些病毒不仅生命力顽强，还会引发各种严重的疾病，比如肝炎、呼吸道疾病，甚至是脑炎，对人类健康造成了极大的威胁。世界卫生组织都将病毒相关的腹泻疾病列为发展中地区的主要死亡原因之一，可见这些病毒的 “杀伤力” 有多大。

传统的水处理方法在面对这些病毒时，往往 “力不从心”。病毒个头微小，还对常规的沉淀、氯化和生物处理等过程有很强的抵抗力。像氧化塘和混凝过程，虽然能降低病毒载量，但却无法将病毒彻底清除。这些 “漏网之鱼” 会在污泥和生物固体中积累，然后再次进入水循环，就像一个个 “定时炸弹”，随时可能威胁人们的健康。

为了解决这些难题，来自同济大学的研究人员在《iScience》期刊上发表了一篇名为《Membrane modification strategies for virus removal from water》的论文。他们通过研究，找到了利用膜技术去除水中病毒的新方法，这一研究成果对于保障水安全有着十分重要的意义。

研究人员在开展这项研究时，用到了几个关键的技术方法。他们运用了多种膜技术，像微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），通过比较不同膜对病毒的去除效率，来探究膜技术在去除病毒方面的能力。还对膜进行了各种改性处理，比如调整膜的孔径、改变膜的表面电荷、引入亲水或疏水基团等，观察这些改性对病毒去除效果的影响。同时，他们也利用一些理论，如 DLVO 和 XDLVO 理论，来解释病毒与膜之间的相互作用机制。

下面来看看具体的研究结果。

膜处理过程中病毒的来源和特征

研究发现，病毒在各种水系统中广泛存在，无论是未经处理的原水、处理后的废水，还是受纳水体，都有它们的踪迹。这些病毒主要来源于人类粪便，尤其是被感染的人，每克粪便中就能排出高达到个病毒颗粒，这数量简直多得惊人！研究人员还对市政污水中常见的 14 种病毒进行了分类，发现这些病毒的遗传结构分为单链 RNA、双链 RNA 和单链 DNA。其中单链 RNA 病毒最多，双链 RNA 病毒最少。而且，除了新冠病毒（SARS-CoV-2）外，其他研究的病毒大多是非包膜结构，这让它们更难被灭活。这些病毒的大小主要分布在 50nm 以内，这对 MF 膜的机械筛分性能提出了挑战，因为 MF 膜的孔径较大，很难有效阻挡这些病毒。废水中病毒颗粒的浓度也很高，每升超过个基因组拷贝，这也给废水处理设施带来了很大的压力。

病毒截留的机制洞察

• 机械筛分：机械筛分主要是基于尺寸排阻原理，在膜表面进行。比膜孔大的病毒会被物理阻挡，但这种机制的效果取决于病毒颗粒和膜孔的尺寸匹配程度。大多数病毒比 MF 膜的孔小，和 UF 膜的孔大小相近，比 NF 和 RO 膜的孔大。所以，MF 膜去除病毒的 LRV（对数减少值，用于量化废水处理过程中病原体减少效率的指标）相对较低，在 0.3 - 2.2 之间；UF 膜去除病毒的效率较高，对诺如病毒（NoV）、腺病毒（AdV）和呼肠孤病毒（RV）等的 LRV 能超过 3；NF 和 RO 膜的效率更高，LRV 分别能达到 5 和 6 以上12。
• 静电相互作用：病毒和膜表面的电荷决定了静电相互作用，这种相互作用可以使病毒颗粒被排斥或吸引到膜表面，从而影响病毒的截留。DLVO 和 XDLVO 理论可以部分解释病毒去除机制。XDLVO 理论考虑了更多的相互作用力，如范德华引力、双电层排斥力、水化力、Born 排斥力和 Lewis 酸碱相互作用等。通过这些力的综合作用，可以计算病毒和膜表面之间的总相互作用势能，进而了解病毒在膜上的行为34。
• 吸附：吸附机制主要是指病毒在膜孔内部环境中的吸附和保留，这个过程涉及多种相互作用，像静电吸附、氢键以及亲水和疏水吸附。比如，在膜孔中加入纳米材料（NMs），如，可以显著增强对人类肠道病毒的吸附能力。分子印迹聚合物（MIP）膜也备受关注，它能选择性地结合目标病毒，提高吸附能力，其中聚吡咯在 MIP 基膜中表现出色56。
• 亲水 - 疏水相互作用：病毒和膜表面通过亲水和疏水作用力的相互作用在病毒截留过程中起着重要作用。大多数病毒对聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯和聚砜等膜具有很强的疏水性，这使得它们在过滤过程中容易附着在膜表面。而亲水聚合物刷可以在膜表面产生致密的水化层，抑制疏水颗粒的非特异性吸附。不同的亲水基团具有不同的水化特性，引入亲水基团有望提高膜的病毒截留效果，减少病毒的沉积和污染78。

膜改性及性能

• MF 膜的改性策略：MF 膜虽然透水性能好，但孔径较大，通常在 0.1 - 10μm 之间，难以有效阻挡尺寸在 20 - 200nm 的病毒。研究人员尝试通过多种方法来改进，比如在膜表面引入孔径更密集的保留层，像用聚乙烯亚胺（PEI）涂覆聚醚砜（PES）MF 膜，能增强对噬菌体 MS2 的去除效果，但膜通量会下降。采用分子印迹过程在膜表面创建靶向保留选择性层，也能显著提高其病毒截留能力。还有在陶瓷膜上涂覆氢氧化锆（）纳米颗粒，能大幅提高对 MS2 病毒的去除率910。
• UF 膜的改性策略：UF 膜过滤是去除病毒的重要方法，其孔径（10 - 100nm）与常见病毒颗粒大小（20 - 200nm）相近，所以去除效果较好。但膜的缺陷，如孔径不均匀、存在异常大孔以及老化导致的孔径扩张等，会随着时间降低截留效率。研究人员通过结构增强，如构建毛细管孔隙和多层结构、交联纤维素膜纤维等方式，来提高病毒捕获能力。还通过增强膜与病毒之间的排斥力，如制备带负电荷的 PES 膜、用两性离子聚合物水凝胶改性 UF 膜等方法，进一步提高病毒去除性能1112。
• NF 膜的改性策略：NF 膜由于孔径较小（1 - 10nm），分离选择性高，在去除病毒方面表现出色，能达到世界卫生组织饮用水标准的 3 LRV。但 NF 膜容易形成滤饼层，影响其整体性能。为此，研究人员致力于通过改性来增强膜的亲水性和抗污染性，如在界面聚合过程中引入改性木质素，制备含和等添加剂的聚酰胺 NF 膜，都能提高膜的亲水性和抗生物污染能力，增加纯水通量1314。
• 抗病毒改性：传统的病毒截留方法容易导致病毒在膜表面或膜孔内积累，这些病毒在适宜条件下可能会重新激活和增殖，带来持续的感染风险。为了解决这个问题，研究人员将抗病毒材料集成到水处理过程中，赋予膜杀病毒功能。许多具有抗病毒活性的纳米材料（NMs）被开发出来，如银纳米颗粒（Ag - NPs），它能通过释放离子破坏病毒膜和基因组，抑制病毒蛋白和复制。将 Ag - NPs 掺入聚砜（PS）膜中，能有效去除病毒，降低滤液中的病毒浓度。还有基于铁的材料、电催化材料等，也在病毒灭活方面发挥着重要作用1516。

膜改性中的材料设计

在膜改性中，研究人员使用了多种材料来优化膜的性能。像碳基纳米材料，包括碳纳米管（CNTs）、富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）等，它们能增强 MF 膜的亲水性和抗病毒性能，但部分碳基纳米材料的潜在细胞毒性需要关注。金属基纳米材料，如银、铜、金、钛和锌等金属及其化合物，具有强大的抗病毒性能，但纳米颗粒的聚集和过滤过程中的损失等问题影响了改性膜的耐久性和长期有效性。有机抗病毒材料分为抗病毒剂和光动力抗病毒材料，它们能通过不同机制去除病毒，为病毒去除提供了更多选择1718。

最后来看看研究结论和讨论部分。膜分离过程是一种有效的去除水中病毒的方法，膜技术因其操作灵活性和多样的作用机制，在病毒去除领域备受关注。通过对膜技术的改性，可以显著提高病毒去除效率。研究人员发现，目前对 UF 和 MF 膜的改性研究相对较多，MF 膜主要针对孔结构进行改性，UF 膜则侧重于增强膜表面的亲水性和静电性能。用于膜改性的纳米材料包括金属、碳基和有机抗病毒材料，其中对金属和碳基纳米材料的研究更为全面19。

不过，膜技术在处理受病毒污染的废水时，仍然面临一些挑战。比如，表面改性技术复杂，抗病毒材料成本高，这使得这些膜的工业化生产面临困难。在长期的膜运行过程中，含有病毒的浓缩物和抗病毒材料从膜基质中的浸出会带来潜在的环境风险。确保膜材料在复杂水环境中的稳定性也是个难题，因为废水成分复杂，pH 值波动大，可能会导致膜材料水解、膨胀或分解。而且，废水中的其他物质还会在膜表面积累，形成复杂的污染，增加运行和维护成本，降低产水效率和质量20。

为了进一步提高膜过程对病毒的去除效果，研究人员也提出了一些策略。比如，要精确评估改性性能，目前对膜表面功能基团密度的研究缺乏严格的统计和定量分析，未来应借助新兴技术，如原子力显微镜红外光谱，更深入地研究膜改性的效果和机制。在膜制造中，要设计更稳定的抗病毒材料，对纳米颗粒进行改性，减少其在长期运行中的浸出和损耗。还要优化膜与电化学过程的结合，针对生活污水和饮用水电导率低导致氧化效率低的问题，优化电催化层结构，提高病毒去除效果2122。

总的来说，这项研究为膜技术在去除水中病毒方面提供了重要的理论和实践指导，虽然目前还存在一些问题，但研究人员提出的策略为未来的研究和应用指明了方向，有望让膜技术在保障水安全方面发挥更大的作用，守护人们的健康。