耐高温、更耐用的海水淡化膜技术

全球水资源危机因气候变化、人口增长和工业化而加剧，反渗透（RO）膜因分离性能优异和操作简便，成为海水淡化、深度水处理和工业分离的核心技术。然而，传统复合薄膜（TFC）海水反渗透膜在高温下性能受限：在30°C时耐受的最高进料压力约80 bar，到80°C时骤降至约20 bar。像波斯湾地区，海水温度季节性波动大，会导致膜结构循环膨胀收缩，造成压实、压花和脱盐率不可逆损失，高温还会加速聚合物降解等问题。

除海水淡化外，许多工业领域也需耐高温RO膜，如食品饮料行业需80°C以上灭菌，纺织染色废水达90-95°C等。传统RO膜及电渗析、离子交换等工艺因不耐高温，需能耗高的冷却步骤，影响经济性。虽陶瓷膜耐高温，但成本高、脱盐率差；现有聚合物复合膜在高温下也难保持高脱盐率（>98%），关键障碍是对TFC膜高温失效机制理解不足。

本研究对比了TFC膜与新型交联薄膜（TFX）超高温反渗透膜的性能。结果显示，商业（c-TFC）和手工浇铸（h-TFC）TFC膜在20-80°C升温过程中，脱盐率从约99%降至<90%，降温后也仅恢复到约90%，水通量显著增加且降温后难恢复；而TFX膜在相同温度循环中性能稳定，水渗透率基本恒定，脱盐率维持约99%。扫描电镜显示TFC膜聚砜层厚度减少（c-TFC减少42%，h-TFC减少22%），存在宏观空洞坍塌，TFX膜厚度仅减少约3%。

进一步研究揭示，TFC膜失效是因热塑性聚砜支撑层在高温下不可逆孔扩张（孔径从~10 nm增至~16 nm，孔隙率从~5%增至~11%），导致聚酰胺（PA）层破裂和分层；TFX膜采用热固性交联聚酰亚胺（x-PI）支撑层，高温下孔径和孔隙率变化极小，接触角无变化，PA层结构完整。微观力学建模和分子动力学模拟也证实，x-PI支撑层热稳定性好，PA层高温下结构变化可逆，而聚砜支撑层易受热应力变形。

综上，TFX膜通过热固性支撑层抑制热变形，保持结构完整性和性能，为超高温反渗透在各工业领域的应用提供了新方案，其设计思路对开发耐其他应力（如高盐、高压）的膜技术具有指导意义。