聚合物复合膜是海水淡化、燃料电池、分离纯化等领域的核心材料。然而，随着膜分离技术的大规模应用，废弃膜材料的可持续处置已成为亟需解决的问题。不同于单一组分塑料，聚合物复合膜通常由多种材料构成，并伴随长期服役过程中形成的有机污染、无机结垢和生物污染，使其难以通过传统机械回收或单一化学解聚方法实现高效循环利用。

  近期，中国科学技术大学吕兴霖教授团队在《Science Advances》发表题为“A stage-based framework for closed-loop recycling of polymeric composite membranes”的研究论文。该工作提出了一种面向聚合物复合膜的分级闭环回收技术框架，通过溶剂选择性提取、催化解聚、单体再聚合、膜支撑层重构和界面聚合再制膜等步骤，实现了废弃复合膜中多组分材料的分离、回收与功能重建。研究进一步以真实服役后的废弃反渗透膜组件为对象，验证了该策略在复杂污染和实际组件条件下的可行性，并结合生命周期评价和技术经济分析证明了其环境和经济优势。该研究为复杂聚合物复合材料的闭环循环利用提供了新的方法学框架。先进环境装备与污染防治技术全国重点实验室、中国科学技术大学环境学院为第一单位，吕兴霖教授为本文通讯作者，团队曹静静博士、美国莱斯大学Elimelech教授为共同通讯作者。中国科学技术大学博士生梁华兴为本文第一作者。

聚合物复合膜：高性能分离材料背后的回收难题

  膜分离技术的大规模应用正在带来新的废物处置问题。以海水淡化和污水处理领域为例，全球已部署大量反渗透、纳滤、超滤和微滤膜组件（图1），且膜材料通常只有3-5年的服役寿命，如何实现废弃膜材料的高值回收，已成为膜分离行业绿色发展的重要问题。与普通单一塑料不同，商业分离膜通常由多种聚合物层级构成。以反渗透膜为例，其通常由超薄聚酰胺选择层、聚砜支撑层和聚酯无纺布基底组成，各组分在化学结构、溶解性和反应活性上差异显著。因此，废弃复合膜不能简单作为一种塑料整体处理，而需要按照不同层级的化学特征进行分步回收。

图1 全球聚合物复合膜回收潜力及废弃膜可持续处置需求

分级回收：从“整体处理”到“分层拆解”

  该工作的核心思路是“先分离，再转化，后重构”。以商业反渗透膜为例，研究团队首先利用溶剂萃取选择性溶解聚砜支撑层，得到可再次用于铸膜的聚砜溶液；未溶解的聚酯基底随后进入化学解聚过程，在Mo-MgO催化剂作用下转化为BHET单体；回收BHET再经聚合和纺丝形成新的聚酯基底；随后，回收聚砜溶液与再生聚酯基底通过非溶剂诱导相分离制备再生超滤支撑层；最后，在其表面进行界面聚合，重新构筑聚酰胺选择层，得到再生反渗透膜。

  这种设计不同于传统“一锅法”或整体热处理，它根据复合膜中各组分的溶解性、反应性和功能定位进行阶段化拆解与重组。研究还将该方法拓展至纳滤膜、超滤膜、微滤膜，以及电池、柔性电子、农业保温和包装领域的复合薄膜，证明其不仅适用于典型水处理膜，也有望为复杂聚合物复合材料的闭环循环利用提供通用思路。

图2 废弃反渗透膜的阶段化闭环回收流程示意图

机制解析：溶剂选择原则与催化解聚机制

  分级回收能否实现，首先取决于能否精准分离不同聚合物层。为此，作者引入汉森溶解度参数指导溶剂筛选，并考虑真实复合膜中的界面黏附、污染层阻挡和溶解动力学等因素，进一步提出了兼顾选择性、环境影响、毒性、挥发性、成本和可回收性的多指标溶剂选择框架，为复杂复合材料的绿色回收提供了更接近工程实际的设计思路。

  在催化解聚阶段，作者通过原位高温红外光谱和同位素标记质谱揭示了聚酯乙二醇解机制。乙二醇首先在催化剂表面被活化，随后其氧原子进攻聚酯酯基中的羰基碳，引发酯键中C-O键断裂，使聚酯链逐步转化为低聚物、二聚体并最终生成BHET单体。这一机制解释了聚酯基底能够被高效转化的原因，也为后续开发更耐污染、更绿色的解聚催化体系提供了依据。

图3 溶剂选择方法与聚酯催化解聚机制

真实废弃膜闭环：回收材料重新制成高性能膜

  为了验证实际可行性，研究团队进一步使用来自真实海水淡化设施的废弃反渗透膜进行回收。该废弃膜回收前水渗透性和盐截留率均明显下降，表面存在有机、生物和无机多类型污染。尽管如此，阶段化流程仍能有效回收聚砜支撑层，并将聚酯基底转化为BHET单体。对于蛋白、多糖、腐殖质和石膏等典型污染物，延长反应时间即可恢复较高BHET产率，说明该策略对真实废弃膜污染具有较强适应性。更重要的是，回收得到的材料可以重新制备为可用膜。回收聚砜和再生聚酯基底经相转化制备得到超滤膜，其分子量截留特征与商业超滤膜接近。进一步通过界面聚合构筑聚酰胺选择层后，得到的反渗透膜表现出典型的表面结构和良好的机械性能，水渗透性和NaCl截留率也与商业反渗透膜相当。

图4 真实废弃反渗透膜组件的阶段化回收及再生膜性能

环境与经济评价：闭环回收不仅可行，而且具有优势

  为了进一步评估该技术的可持续性，研究团队构建了废弃反渗透膜回收的概念化工厂模型，并开展生命周期评价和技术经济分析。生命周期评价结果表明，与传统商业膜制造相比，阶段化回收工艺在多个环境影响指标上均表现出降低趋势。以亚洲区域生产为例，回收制备的反渗透膜的全球变暖潜势和化石资源消耗分别降低约22%和29%，回收制备的超滤膜的对应指标分别降低约34%和47%。技术经济分析同样显示出该工艺的成本优势。与传统商业膜制造相比，回收制备的反渗透膜单位生产成本降幅约25%，回收制备的超滤膜成本降幅约36%。

图5 闭环回收工艺生命周期评价与技术经济分析

总结

  这项研究为废弃聚合物复合膜回收提供了清晰的阶段化思路，其意义不仅在于实现了废弃反渗透膜到反渗透膜的闭环循环，更在于提出了一种面向复杂多组分聚合物复合材料的回收框架。对于未来膜材料设计而言，高性能不应只关注分离效率和服役寿命，还应进一步考虑材料在生命周期终点的可拆解、可回收和可再制造能力。

  该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本业务费和上海市自然科学基金项目的资助。感谢上海同步辐射光源BL06B红外谱学显微实验站、中国科学技术大学理化科学实验中心和微纳研究与制造中心对本文相关分析测试提供的大力支持。

  论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5675