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在苦咸水淡化中，聚酰胺（PA）膜面临渗透率 - 选择性权衡难题。研究人员合成咪唑基乙基 - 脲基乙基 - 苯基（IUP）化合物形成人工水通道（AWC）并融入 PA 膜。所得仿生膜水渗透率达 4.3 L?m-2·h-1·bar-1，NaCl 截留率 99.3%，突破传统限制。
在淡水资源日益紧张的当下，苦咸水淡化成为缓解水资源短缺的重要途径。薄膜复合（TFC）聚酰胺（PA）膜在苦咸水淡化领域已应用超 30 年，然而它却面临着渗透率与选择性之间的权衡困境。简单来说，当 PA 膜的渗透率提高时，其对盐分的截留能力就会下降，反之亦然，这严重限制了 PA 膜在苦咸水淡化中的进一步应用 。为了突破这一限制，科研人员尝试了多种新型材料，像纳米管、层状纳米片、纳米多孔颗粒等，但大多都存在无法有效选择性截留离子等问题。与此同时，合成仿生人工水通道（AWC）虽被提出，可将其融入 PA 膜困难重重，比如制备过程复杂、难以获得大量纳米尺寸的 AWC，而且在融入过程中容易产生缺陷，这些问题都亟待解决。
为了攻克这些难题，中国矿业大学（北京）的研究人员展开了深入研究。他们成功合成了咪唑基乙基 - 脲基乙基 - 苯基（IUP）化合物，通过自组装形成 AWC，并找到了一种能将 AWC 无缝融入无缺陷 PA 膜的策略。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为苦咸水淡化带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。结构表征方面，借助核磁共振（NMR）、X 射线衍射（XRD）等技术确定 IUP 化合物的结构；利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）观察膜的形态和厚度。性能测试上，通过动态光散射（DLS）分析 AWC 聚集体的形成，用分子动力学（MD）模拟研究水传输和分子间相互作用，在反渗透系统中测试膜的脱盐性能。
下面来看看具体的研究结果。
- IUP 自组装形成的 AWC 的结构和功能：受水通道蛋白（AQP）结构启发，研究人员设计了由 IUP 化合物超分子组装形成的 AWC。IUP 分子独特的结构，包括分子链长度、苯基以及 π - π 堆积相互作用，有利于在水中形成纳米尺寸的 AWC 聚集体。通过 NMR 和 X 射线衍射分析，确认了 IUP 分子的化学结构和晶体结构。MD 模拟显示，AWC 对水分子有良好的导通性，对 Na+和 Cl-则完全截留，其单通道水渗透率可达 3.59×106 H2O/channel/s/bar。在脂质体中测试时，该 AWC 也展现出与以往研究中其他类型 AWC 相当的水传输性能。
- 用于反渗透脱盐的仿生 AWC 膜：研究人员制定了制备仿生 AWC 膜的策略，先将含 MPD 和 SDS 的水中形成的 AWC 聚集体分散到商业聚砜（PSf）支撑体上，再进行界面聚合（IP）制备 AWC - SDS - PA 膜。SEM 和 TEM 图像显示，添加 SDS 和 AWC 会使 PA 层结构发生变化，且 AWC - SDS - PA 膜中的 AWC 聚集体尺寸更小、分散性更好，PA 层也更厚。XPS 分析表明，AWC - PA 和 AWC - SDS - PA 膜中 O/N 比的变化证实了 AWC 聚集体的融入。反渗透系统测试结果令人惊喜，AWC - SDS - PA 膜在水渗透率和盐分截留率上表现出色，平均水渗透率达到 4.3 L?m-2·h-1·bar-1 ，NaCl 截留率为 99.3%，超越了市场上现有的高性能膜，成功打破了渗透率 - 选择性的权衡限制。
- AWC 聚集体形成及其融入对 TFC - IUP 膜性能影响的机理理解：DLS 分析发现，在 IUP 乙醇溶液中加水形成 AWC 聚集体时，环境条件对其影响复杂，这也是 AWC - PA 膜性能不稳定的原因。而在水中直接溶解 IUP 并借助 SDS 形成的 AWC 聚集体尺寸更易控制，在 0.2% SDS 存在下，聚集体尺寸可减小到约 50 nm。MD 模拟表明，AWC 聚集体能使 PA 层水渗透率提高 130% ，其内部通道可通过供体 - 受体氢键相互作用提高选择透过性，外部通道虽有助于水分子渗透，但过宽会降低盐分截留率。此外，SDS 能促进 MPD 在界面的迁移，使 PA 层更厚，更好地包裹 AWC 聚集体，减少缺陷产生。
综合上述研究，研究人员成功制备出具有优异选择透过性的无缺陷仿生膜。IUP 化合物良好的溶解性和形成 AWC 的能力，加上 SDS 辅助下纳米尺寸 AWC 聚集体的直接制备，以及 MPD、SDS 和 AWC 之间的积极相互作用，共同促成了这一成果。而且，该制备策略有望扩展到工业规模生产，为下一代高性能反渗透膜的发展指明了方向，在苦咸水淡化领域具有巨大的应用潜力，为解决全球水资源短缺问题提供了新的技术方案。
