随着绿色生物制造和水资源循环利用需求的不断增长，高性能膜材料在工业分离与水环境治理中的重要性日益凸显。超滤膜凭借其优异的分离精度和温和的操作条件，在饮用水净化、工业废水处理及生物制造过程中的大分子分离等领域具有广阔的应用前景。其中，以天然可再生纤维素为原料制备的醋酸纤维素超滤膜，兼具良好的成膜性能和生物可降解潜力，在减少石油基膜材料依赖、推动绿色分离技术发展方面具有独特优势。然而，传统超滤膜的水渗透性能与污染物截留能力之间往往存在相互制约的关系，尤其是膜内部孔道连通性不足、传输路径曲折所产生的水力阻力，进一步限制了膜分离效率的提升。因此，如何在保持高分离精度的同时优化膜内部传输结构，实现高渗透性能与高截留能力的协同提升，成为推动纤维素基超滤膜实际应用亟待解决的关键问题。

图1 界面水化诱导相分离策略及超滤膜内部传输通道重构示意图

  近期，四川大学刘公岩教授团队在高性能生物质基超滤膜研究方面取得新进展，创新提出了一种界面水化诱导相分离策略，实现了醋酸纤维素超滤膜内部水传输通道的有效重构。

  2026年11月3日，该研究工作以“Highly Interconnected Cellulose Acetate Ultrafiltration Membranes via Interfacial Hydration-Induced Phase Separation for Ultrafast Water Purification”为题发表于期刊《ACS Nano》。四川大学博士研究生曹丹为论文第一作者，刘公岩教授为论文通讯作者。

  研究团队以生物质基醋酸纤维素为膜材料，通过单宁酸修饰纤维素纳米晶（TC）与Zr⁴⁺离子的多位点配位作用，构筑具有强界面水化能力的纳米团簇（TCZ）。在膜制备过程中，TCZ纳米团簇能够优先锚定于膜内部海绵状支撑层的孔壁，通过富集水分子形成局部富水微环境，诱导聚合物溶液发生局部液-液相分离，进而促进原本相对孤立的孔道相互连通，构筑高度连通、低曲折度的水传输网络。不同于传统超滤膜主要依赖选择性皮层孔径调控的设计思路，该策略通过重构海绵状支撑层内部的水传输通道，在保持膜分离精度的同时显著降低了水传输阻力。

图2 CTCZ超滤膜的微观形貌及内部孔道结构表征

  通过对膜材料组成和制备条件的优化，研究团队获得了具有优异分离性能的CTCZ超滤膜。其纯水渗透率达到752.29 L·m^-2·h^-1·bar^-1，较未改性的醋酸纤维素膜提高约10倍，同时对牛血清白蛋白（BSA）、聚苯乙烯（PS）微塑料颗粒和大肠杆菌（E. coli）的截留率分别达到97.64%、96.33%和99.89%，实现了高水通量与高截留性能的有效协同。进一步研究表明，该策略具有良好的材料体系通用性，将其拓展至聚偏氟乙烯（PVDF）和聚醚砜（PES）等主流工业膜材料后，膜水渗透性能分别提高约13倍和21倍，充分展现了该设计策略在不同聚合物膜体系中的应用潜力。通过分子动力学模拟、密度泛函理论计算及计算流体力学模拟，研究团队进一步从分子相互作用、自由体积及流体传输等多个尺度揭示了纳米团簇诱导内部水传输通道重构的作用机制，为高渗透超滤膜的结构设计提供了新的理论依据。

图3 CTCZ超滤膜的水处理性能及不同聚合物膜体系中的通用性

  在此基础上，研究团队进一步开展了膜材料放大制备及实际水体净化验证。通过连续卷对卷制膜工艺，成功制备了尺寸达2 m × 35 cm的非织造布支撑超滤膜，并对其结构均匀性和运行稳定性进行了系统评价。以锦江河和荷花湖地表水为处理对象，在连续运行12天的实验中，膜材料保持了稳定的水处理性能，日处理水量分别达到475.4 L和445.9 L。同时，膜材料在长期浸泡及不同pH条件下表现出良好的稳定性，90天浸泡过程中Zr⁴⁺浸出浓度始终低于1.0 μg·L^-1。此外，生命周期评价与经济性分析表明，该膜材料具有较低的环境负担和良好的经济可行性，展现了其在绿色水处理及规模化应用方面的潜力。

图4 大面积卷对卷连续制膜及实际地表水处理性能验证

  该研究得到了国家自然科学基金、四川省科技计划项目、四川大学-自贡市校地合作项目以及中国华能集团总部科技项目的支持。

  论文原文：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c18522