KU Leuven & Monash University & 华中科技大学联合团队在Advanced Functional Materials发表界面聚合构筑渗透汽化膜研究进展综述

创新成果：

近年来，界面聚合（Interfacial Polymerization, IP）作为构建超薄选择性层的高效技术，在膜分离领域中展现出巨大潜力。近日，比利时荷语鲁汶大学（KU Leuven）靳鹏瑞博士，Bart. Van der Bruggen 教授&华中科技大学袁术珊教授&澳洲莫纳什大学（Monash University）王焕庭教授团队在Advanced Functional Materials合作撰写了题为”Recent Advances in Membrane Synthesis by Interfacial Polymerization for Pervaporation” 的综述论文并发表于Adv. Funct. Mater.。该文系统梳理了界面聚合（Interfacial Polymerization, IP）构建渗透汽化（Pervaporation, PV）膜材料的最新研究进展、关键挑战与未来发展趋势。

研究背景：能源与水资源双重危机驱动下的膜分离革新

在“双碳目标”驱动下，如何提升分离效率、降低能耗已成为化工过程技术的核心议题。渗透汽化作为一种能实现“液体→气体”跨相高效分离的膜过程技术，因其适用于有机溶剂脱水、生物燃料提纯、海水脱盐及高盐废水浓缩等场景，成为近年来国际研究热点。与传统蒸馏相比，PV过程无需汽化全部物料，能耗更低；而相比反渗透、膜蒸馏等压力/热驱动过程，PV对进料条件适应性更强，尤其在醇类混合物脱水、含盐溶液浓缩等高挑战体系中表现出显著优势。然而，PV膜在实际应用中仍面临“通量-选择性”难以兼顾的问题。如何构建超薄、缺陷少、界面稳定的选择性层结构成为突破瓶颈的关键。

文章亮点：聚焦界面聚合构建高性能PV膜的全景式分析

本综述围绕“界面聚合”在PV膜制备中的应用，全面总结了过去五年内的研究进展，涵盖以下几个方面：

1. 渗透汽化基础与膜分离机制

系统介绍PV膜中质量传输的“溶解-扩散”机制；梳理PV膜性能评价指标（如渗透通量、分离因子、PSI指数等）；对比传统蒸馏、反渗透、膜蒸馏与PV的能耗与适用范围。

2. 界面聚合构建选择性层的关键策略

总结不同单体（胺类与酰氯类）在反应速率、交联程度、膜结构方面的影响；比较不同官能团（例如乙醇胺、芳香胺）对膜性能调控机制；分析IP过程参数（浓度、时间、温度）的结构-性能关联性。

3. 中间层与支撑层的协同优化

探讨多种中间层材料（如eGO、MOFs、COFs、TiO₂、MXene）对膜结构调控作用；分析聚合物支撑（如PAN、PES）与陶瓷支撑（如AAO、Al₂O₃）在抗溶胀与机械稳定性方面的优劣；阐述中间层的“gutter mechanism”在提升水通量与界面兼容性方面的重要性。

4. 新兴材料引领膜性能突破

介绍MOFs、COFs、POCs等新型多孔材料在IP选择性层中的应用；探讨其在调控孔径、表面化学性质、亲水性及稳定性方面的优势；展望以COF骨架、层状2D材料为核心构筑下一代超薄高通量膜的研究趋势。

应用展望：为可持续分离提供材料支撑

本综述指出，未来PV膜技术的发展方向将集中在：单体结构与反应界面协同调控；多尺度膜结构的构建（自组装、中间层构型）；高性能、低能耗、可规模化制备的复合膜体系；

面向工业溶剂回收、海水淡化等复杂场景的抗污染与稳定性增强设计。

文章强调，构筑高性能渗透汽化膜的核心，是材料设计、界面调控与多层结构协同构建的统一，界面聚合技术为这一目标提供了强有力的手段。

图1展示了典型膜分离技术的基本过程与机制：(a-b)为反渗透过程中水分子通过半透膜以及膜表面生物膜形成的示意；(c)展示了传统膜蒸馏工艺的不同实现路径，并标示了膜污染的典型部位；(d)为渗透汽化过程及其工作机制；(e)则为渗透汽化中基于溶解-扩散模型的传质机制图示。

图2展示了界面聚合（IP）相关研究的关键发展与膜结构特征：(a)为IP技术的重要发展历程时间轴；(b)展示了三羧氯（TMC）与间苯二胺（MPD）之间的典型IP反应过程，插图进一步说明了膜的形成机制与渗透性能；(c)为不同形貌的纳米膜截面扫描电镜（SEM）图像，左为平整膜，右为褶皱膜；(d)为在不同单体浓度下，膜厚度随IP反应时间变化的关系图。

图3展示了典型TFC膜结构及其在渗透汽化中的应用表现：(a)为传统TFC膜的结构示意图，标示出各功能层的典型特征；(b)为首次应用于渗透汽化的IP膜，展示了中空纤维膜横截面的扫描电镜图像，上图为聚苯胺涂层膜，下图为聚二乙烯苯涂层膜；(c)为对比TFC膜与掺银（Ag）TFC膜的SEM及TEM截面图像；(d)为不同类型TFC膜的分离性能测试结果

图4展示了不同IP膜的结构特征及性能评价方法：(a)为NBDC/mPAN复合膜的结构图；(b)通过光透过率变化反映聚酰胺反应速率；(c)为三种不同单体体系制备的TFC膜的SEM图像，分别为(c1) TFCBAE、(c2) TFCBATO 和 (c3) TFCODA；(d)为MPD/BDSC与TETA/BDSC两种单体体系在IP过程中的聚合产物示意图；(e)为基于正电子湮没寿命谱（PALS）测试的膜材料参数与正电子入射能量的关系图.

图5展示了选择性层结构调控与复合膜构建策略：(a)为原子力显微镜图像，分别显示了平整纳米膜(a1)与褶皱纳米膜(a2)的实际长度与表观长度对比；(b)为不同eGO沉积量（0、40、80 和 120 mg·m²）下PAN纳米纤维支撑层的表面形貌；(c)为通过双选择性层路径构建复合膜的制备流程图；(d)为采用不同多孔支撑层构建的PVA基TFC膜结构示意图。

图6展示了基于新型功能材料构建的IP膜结构与表征结果：(a)为TpHZ/AAO膜的实物图像，其中(a1)为整体膜，(a2)与(a3)分别为不同TpHZ含量（0.5和1.5）下的膜外观；(b)为CHF支撑层(b1)及通过IP过程引入氮掺杂碳量子点（N-CDs）后的选择性层(b2)的截面SEM图；(c)为AEL纳米片/聚酰胺复合膜的截面结构(c)，其(c1–c2)为EDS元素分布图，(c3–c4)为剥离态AEL纳米片的TEM图像。

图7展示了多种中间层材料在不同支撑层上的构筑与膜性能表征：(a)为TiO₂中间层在CHF支撑层上的分布情况；(b)为MoS₂中间层在CHF支撑层上的形貌；(c)为COF中间层在PES支撑层上的结构示意；(d)包含不同膜的(d1-d2) ATR-FTIR光谱与Zeta电位测试结果，以及(d3-d4) 聚酰胺复合膜的截面结构图像。

图8展示了基于MOF材料的界面聚合过程与膜构筑策略：(a1)为中空ZIF-8纳米球的结构图，(a2)为在不同IP单体浓度下的对应TEM图像；(b)为MOF膜合成的多种策略，其中(b1)为MOF层在基底上的沉积过程，(b2)展示了MOF层参与的界面聚合过程，图中橙色球表示金属离子，蓝色八面体代表MOF晶体，深蓝色八面体为已形成结构；(c)为二维MOF片层的生长示意图；(d)展示了中空纤维中MOF膜的界面微流控构建方法；(e)为ZIF-8@MMM膜的多种合成策略示意图。

图9展示了基于COF材料的界面聚合过程与膜结构表征：(a)为Tp-PaHzx膜的制备过程示意图，(a1)显示合成路径，(a2)为不同Hz浓度条件下的对应SEM图像；(b)为经氧等离子体刻蚀处理后的TpPa/PAN膜制备过程；(c)为通过气-液界面聚合法构建的TpHZ/PAN膜；(d)为采用水解PAN（HPAN）为基底构建的TpPa/HPAN膜；(e)为Tp-PaHzx（x=0, 4）膜的氮气吸附-脱附等温线及对应的孔径分布（插图）；(f)为通过Brønsted酸介导合成的COFs-JLU2膜结构示意图。

图10展示了基于多孔有机笼体（POCs）材料的膜构建及其分离性能：(a)为脱盐系统的整体示意图；(b)为不同膜材料渗透性能的对比结果；(c)为POC膜的形貌与结构图像；(d)为基于POC材料的界面聚合过程示意；(e)为CC3膜的分离机制图，展示了其对溶质的截留过程。

图11展示了近五年基于界面聚合（IP）的渗透汽化（PV）膜研究的统计与性能分析：(a)为IP膜在PV领域应用的统计结果，涵盖不同的水相/有机相单体组合（如间二异氰酸二甲苯 m-xd 和反式-5-降冰片烯-2,3-二羧酰氯 TC）；(b)为基于IP的PV膜在水/醇选择性与通量之间的性能权衡关系图，虚线所示的上限主要由传统单体（如BAPP、DEPA、TETA/TMC）构成，实线所示的性能上限则基于新型单体（如Pa和Hh），插图为基于IP膜对乙酸、四氢呋喃和过氧化氢的脱水表现；(c)为采用不同构筑策略制备的IP膜在选择性与渗透性之间的权衡分析，虚线代表传统手段（如控制IP过程、引入中间层等）构建的性能上限，实线则代表采用新技术（如TFN膜）构建的性能边界，插图展示了不同方法下用于脱盐的IP膜结构示意图。

图12展示了操作条件与膜结构对渗透汽化性能的影响：(a)为不同壳聚糖（CS）浓度下复合膜在40–70 °C操作温度范围内的PV性能；(b)为进料中异丙醇（IPA）含量对343 K下PV测试性能的影响；(c-d)为剥离态MoS₂纳米片（厚度约1.1 nm）构建的TFC膜厚度表征；(e)为操作温度对PV膜分离性能的影响；(f)为分子动力学模拟结果，展示EDA在三种不同膜中的扩散系数对比。

图13展示了反渗透与渗透汽化脱盐过程中的质量传输行为及膜性能：(a)为反渗透（RO）过程中水分子穿过膜的质量传输路径；(b)为渗透汽化（PV）脱盐过程的传质机制示意图；(c)为在10 wt% NaCl条件下，ACQD-TFN（50 wt%）膜与PA-eGO复合膜的PV长期脱盐性能对比；(d)为在3.5 wt% NaCl、70 °C操作条件下的PV脱盐性能测试结果。