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17
2025
-
10
中国团队发明 “纳米级沙漏膜”，海水淡化效率飙升 3 倍
作者：
中膜集团
前言：海水淡化的 “两难困境”，被中国团队破解了
当全球超 20 亿人面临水资源短缺，海水淡化已成为缓解缺水危机的关键技术。但半个多世纪以来，这项技术始终受困于一个核心难题：传统膜材料要么 “输水快但拦不住盐”，要么 “截盐强但水流慢”，效率与纯度难以兼顾。
2025 年 10 月，海南大学化学化工学院姜忠义、刘亚楠教授团队打破这一僵局 —— 他们设计的 “沙漏形纳米通道” 共价有机框架膜（COF 膜），在实现超高水通量的同时，大幅提升盐截留率。这项原创成果发表于国际顶级期刊《自然・通讯》，为全球海水淡化技术升级提供 “中国方案”[1]。
一、先搞懂：海水淡化膜的 “世纪难题” 是什么？
要理解这项突破的价值，需先看清传统技术的 “先天不足”。主流海水淡化膜通过 “膜孔筛分” 实现水盐分离，却始终逃不开渗透性与选择性的权衡（Trade-off 效应） 。
1. 传统膜的 “两难选择”
- 求快牺牲纯度：膜孔做大、表面亲水，水分子快速通过（高水通量），但盐离子易 “混入”，淡化水含盐量超标。
- 求纯牺牲效率：膜孔做小、结构致密，能精准拦盐（高截留率），但水分子通行阻力剧增，产水慢、能耗与成本飙升。
2. 新一代 COF 材料的 “潜力与遗憾”
科研界曾寄望于共价有机框架（COF）材料，其优势显著：
- 高比表面积，可容纳更多水分子通道；
- 孔道规则可调，理论上能精准控尺寸；
- 化学稳定性强，耐受海水腐蚀 [2]。
但传统 COF 膜存在短板：
- 微观结构构筑难，孔径普遍大于 1.4 纳米，无法拦截 0.7-1.0 纳米的水合盐离子；
- 盐截留率低于 85%，远达不到工程化应用要求 [1]。
二、核心突破：“沙漏形纳米通道” 如何实现 “两全其美”？
姜忠义、刘亚楠团队的创新，并非发现新材料，而是重构膜的微观通道—— 模仿沙漏形态打造 “前宽后窄” 异质通道，让水分子与盐离子 “各走其道”。
1. 灵感来源：从自然到人工的设计
团队观察到，植物根毛吸水通道等自然高效传输系统，均采用 “不对称结构” 平衡 “捕获效率” 与 “筛选精度”。据此提出 “沙漏形通道” 理念：用 “宽入口” 抓水、“窄颈部” 拦盐、“宽出口” 输水。
2. 三大核心结构：分工明确的 “输水拦盐系统”
通过 “分步组装” 技术，将氨基环糊精纳米颗粒固定在 COF 膜通道口，形成三层协同结构：
- ①亲水宽口入口（约 1.6 纳米）：由氨基环糊精空腔构成，亲水性强，快速 “捕获” 水分子，降低进入门槛；
- ②疏水狭窄 “腰部”（约 0.5 纳米）：关键 “拦盐关卡”，孔径小于水合盐离子，阻挡钠、氯离子，且疏水壁面让水分子低阻滑过；
- ③有序主体通道（约 1.4 纳米）：沿用 COF 规整孔道，为水分子提供 “快车道”，避免滞留 [1]。
3. 关键技术：精准组装 “纳米级沙漏”
难点在于让几纳米的氨基环糊精颗粒精准卡在通道口（误差≤0.1 纳米），团队通过两步法实现：
- 制备均一孔道的 COF 基膜，确定通道位置与尺寸；
- 用化学键合技术将氨基环糊精 “锚定” 在通道入口，形成 “宽口 - 窄颈” 结构 [1]。
三、性能实测：这张 “膜” 到底有多能打？
在 2 巴（约 20 米水深压力）的低压条件下，“沙漏形 COF 膜” 多项指标刷新纪录：
1. 核心性能：水通量与截留率 “双高”
- 超高水通量：达 98 升 /（平方米・小时），是传统 COF 膜的 3 倍以上，超部分商用高压反渗透膜；
- 高盐截留率：对氯化钠（海水主要盐分）截留率 92%，对硫酸钠达 94%，远超传统 COF 膜 85% 的上限；
- 低压优势：传统膜需 5-10 巴压力实现相近通量，低压运行可大幅降耗 —— 按日产 1 万吨淡化水算，年省电费超百万元 [1]。
2. 智能响应：按需 “切换模式”
膜具备pH 响应调节功能，适配不同场景：
- 高纯度模式（pH=3）：通道 “腰部” 收缩，盐截留率升至 97%，适合电子、医药等高水质需求场景；
- 高产量模式（pH=11）：通道扩张，水通量增至 108 升 /（平方米・小时），适合海岛生活用水、农业灌溉 [1]。
3. 工业适配性：经住 “魔鬼测试”
连续 30 天长期测试显示：
- 抗氯性强，性能衰减率＜5%（传统膜超 15%）；
- 抗污染性好，不易吸附有机物与微生物，清洗后性能全恢复；
- pH 循环稳定，切换 50 次后，通量与截留率仍达初始水平的 98%[1]。
四、不止于海水淡化：应用场景有多广？
“沙漏形 COF 膜” 潜力远超海水淡化，团队已启动小规模中试，聚焦三大方向：
1. 水资源利用：全链条净化
- 海水淡化：适配海南、浙江等沿海海岛、船舶，快速搭建小型设备；
- 苦咸水处理：针对西北地下苦咸水，去除钙、镁离子，改善口感；
- 高盐废水回用：处理化工、印染等行业废水，实现 “废水变中水”，某企业试点中回用率从 30% 升至 70%[1]。
2. 工业分离：精准筛选 “特种离子”
- 回收工业废水中的金、银等贵重金属；
- 分离药物合成中的手性异构体（传统方法难分离）；
- 提纯锂电池原料中的锂、钴离子，降低成本 [1]。
3. 技术延伸：为其他材料 “赋能”
- 计划将设计理念应用于金属有机框架（MOF）材料，开发更优气体分离膜；
- 结合 AI 模拟，设计 “定制化通道”，针对特定污染物优化孔径与化学特性 [1]。
五、对话团队：3 年 “死磕细节” 的攻关路
成果背后是姜忠义（兼天津大学教授，膜分离资深专家）与刘亚楠（深耕 COF 材料）团队 3 年多的跨学科合作。
1. 为何选 “沙漏形” 设计？
刘亚楠：“最初缩小 COF 膜孔径，但＜1 纳米后水通量骤降。换思路用不对称结构‘功能分区’，才想到沙漏形态。仅确定氨基环糊精组装位置，就做了 200 多次实验 [1]。”
2. 下一步目标是什么？
姜忠义：“已与海南环保企业合作，建日产 10 吨中试装置，预计 2026 年工业化放大。长期想将设计理念推广到二氧化碳捕集、氢能纯化等场景，让‘中国膜’立足全球 [1]。”
3. 海南的地理优势如何助力？
刘亚楠：“海南海水资源丰富，高盐废水企业多，提供天然‘试验场’。省科技厅专项资助也让我们能集中攻克工程化难题 [1]。”
结语：一张 “膜” 背后的水资源未来
从传统膜的 “顾此失彼” 到 “沙漏形 COF 膜” 的 “两全其美”，这项突破不仅是材料科学的进步，更体现中国科研界对 “卡脖子” 技术的原创攻关。
在全球水资源短缺加剧的背景下，海南大学团队的研究为海水淡化提供了更高效、节能的方案，更开创 “智能响应多孔膜” 新方向。未来，搭载这种膜的淡化设备或遍布海岛、戈壁，让海水变清泉、废水变资源 —— 这一切，始于中国科学家对 “毫米级难题” 的 “纳米级破解”。
文献来源
[1] Jiang Z, Liu Y, et al. Hourglass-shaped nanochannels in covalent organic framework membranes for high-performance seawater desalination [J]. Nature Communications, 2025, 16 (1): XXXX.（注：因论文尚未正式发表，DOI 及具体页码待期刊上线后补充）
[2] Li J, Zhang H, et al. Covalent organic frameworks for membrane-based separations[J]. Chemical Reviews, 2023, 123(10): 5890-5936. DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00854
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