反滲透（RO）膜用于工業(yè)廢水處理時壽命只有幾個月，而用于海水淡化則需要幾年，這大大增加了RO的維護(hù)成本。

2025年1月3日，天津工業(yè)大學(xué)胡云霞研究員團(tuán)隊在國際頂級期刊Nature Water發(fā)表題為《Methylation of reverse osmosis membrane for superior anti-fouling performance via blocking carboxyl groups in polyamide》的研究論文，秦一文博士和齊鵬飛博士為論文共同第一作者，胡云霞研究員為論文通訊作者。

胡云霞，研究員，天津工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，分離膜與膜過程國家重點實驗室副主任，北京膜學(xué)會副秘書長。2004年在天津大學(xué)獲碩士學(xué)位，2010年在美國麻省理工學(xué)院獲博士學(xué)位，師從Thomas Russell院士和Todd Emrick教授。曾入選國家海外高層次人才、中國膜科技中青年突出貢獻(xiàn)專家、天津市引進(jìn)領(lǐng)軍創(chuàng)新人才、山東省泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍創(chuàng)新人才等。

胡云霞研究員長期從事面向環(huán)境、海洋、生物、化工等領(lǐng)域應(yīng)用的分離膜材料的設(shè)計、合成、產(chǎn)業(yè)化制備等研究。

秦一文，天津工業(yè)大學(xué)博士。研究領(lǐng)域為分離膜與膜過程，重點開展耐污染聚酰胺反滲透膜的表面構(gòu)建及耐污染機制研究。

齊鵬飛，天津工業(yè)大學(xué)博士。研究領(lǐng)域為膜污染過程，主要通過分子動力學(xué)模擬及量子化學(xué)模擬研究聚酰胺反滲透膜結(jié)構(gòu)對其耐污染性能的影響。

為了提高RO膜的分離和防污性能，從而延長RO膜的使用壽命，作者開發(fā)了一種創(chuàng)造性的策略，通過在界面聚合過程中將氣態(tài)二甲胺分子接枝到RO膜的聚酰胺（PA）上以實現(xiàn)其甲基化。

二甲胺接枝的RO膜實現(xiàn)了3.84 L?m^?2h^?1bar^?1的高水滲透系數(shù)和99.05%的高NaCl截留率，并對小有機帶電污染物表現(xiàn)出前所未有的防污性能，超過了其他報道的防污膜和著名的商用防污RO膜（DuPont FilmTec Fortilife CR100）的上限閾值。

實驗結(jié)果和分子動力學(xué)模擬結(jié)果均表明，與原始PA相比，甲基化PA對小帶電有機污染物的吸收能力更弱，降低了污染物的面密度和堆積松散程度，并且在PA內(nèi)部的穿透深度更淺。

作者的工作表明，避免污染物滲透到 PA 內(nèi)部并防止污染物堵塞PA孔對于提高RO膜的抗污染能力至關(guān)重要。

這項工作利用分子動力學(xué)模擬從分子水平對RO膜污染機制提出了新的看法，并開發(fā)了一種簡單有效的甲基化方法來增強RO膜對小帶電污染物的抗污染性。

圖1：DMA改性反滲透膜的制造和表征

圖2：膜表面形態(tài)、表面特性和分離性能

圖3：原始和DMA改性RO膜的防污性能

圖4：QCM-D監(jiān)測帶正電和負(fù)電的小污染物（包括SDS和DTAB）在原始PA和DMA-PA上的吸附行為以及吸附餅層的特性

圖5：DMA接枝PA和原始PA上DTAB吸收的分子動力學(xué)模擬

圖6：原始PA表面和DMA接枝PA表面吸收并滲透到兩種PA內(nèi)部的DTAB和SDS的側(cè)面圖

綜上，作者開發(fā)了一種創(chuàng)造性的策略，將反滲透膜甲基化，實現(xiàn)了高水滲透率（3.84 L m^-2h^-1bar^-1）和高NaCl去除率（99.05%）的卓越分離性能，并且對小有機帶電污染物具有前所未有的抗污染性能，嚴(yán)重威脅到用于廢水處理的反滲透膜的使用壽命。

通過將氣態(tài)DMA分子接枝到PA上，實現(xiàn)了反滲透膜的甲基化，DMA接枝率高達(dá)38.6%，遠(yuǎn)高于其他分子接枝到反滲透膜上的接枝率（4.5-20.8%）。結(jié)果表明，甲基化后的PA羧基較少，并且在受到SDS和DTAB污染時表現(xiàn)出優(yōu)異的抗污染性能，通量下降較少，而在用水沖洗清潔時通量回收率高。

當(dāng)被DTAB污染時，顯著提高的通量維持比，以及在清洗掉DMA接枝膜后的SDS和通量回收率，都超過了之前報道的防污反滲透膜和著名的商用防污反滲透膜（DuPont FilmTec Fortilife CR100）的上限閾值。

作者的模擬結(jié)果表明，帶正電荷的表面活性劑DTAB與帶負(fù)電荷的PA羧基之間的電子吸引力是使DTAB滲透到PA內(nèi)部并造成堵塞的原因，從而造成較大的通量損失。DMA接枝大大減少了PA上羧基的數(shù)量，從而削弱了DTAB與DMA接枝PA的相互作用，從而實現(xiàn)了DTAB在PA上的淺滲透，DTAB在PA上的吸收較少，并獲得了低通量下降的防污性能。

研究表明，避免污染物在PA內(nèi)部的滲透和防止污染物堵塞孔道是提高反滲透膜抗污染性能的關(guān)鍵。通過分子動力學(xué)模擬，從PA和污染物的分子水平對反滲透膜的污染機理提供了一個新的視角，這對于開發(fā)出實際應(yīng)用的抗多種污染物的反滲透膜會是一個啟發(fā)。

反滲透膜的甲基化已被證明是一種簡單而有效的策略，可以提高反滲透膜對各種帶電污染物的抗污能力，在未來的實際應(yīng)用中具有很好的潛力。

Qin, Y., Qi, P., Hao, S. et al. Methylation of reverse osmosis membrane for superior anti-fouling performance via blocking carboxyl groups in polyamide.?Nat Water?(2025).?