随着工业化的快速发展和人口的持续增长，全球水资源短缺与污染问题日益加剧。传统的纳滤膜在水处理和资源回收中发挥了重要作用，但它们的制备仍严重依赖石化化学品，不仅在生产过程中存在健康与环境风险，而且在废弃后难以自然降解，往往会转化为微塑料进入环境和食物链，对生态系统和人类健康构成新的威胁。因此，如何构筑从原料选择、制备工艺到废弃降解全过程均符合绿色化学原则的新型膜材料，成为膜科学领域亟待解决的核心挑战。
近日，哈尔滨工业大学邵路教授团队联合澳大利亚莫纳什大学Huanting Wang教授等，首次提出了全生命周期绿色限域纳滤膜（Sustainable Nanofiltration Membrane, SNFM）的全新构筑策略，并以“Sustainable Nanofiltration Membranes Enable Ultrafast Water Purification”为题，发表在国际高水平期刊《Nature Water》上。哈尔滨工业大学博士研究生黄军辉为论文第一作者。
图1：SNFM的可持续过程示意图
该成果以聚乳酸（PLA）、木糖醇、多巴胺和油酸等低危害化学品为原料，采用安全合成方法成功制备了SNFM，实现了膜材料在设计阶段即融入可持续理念（如上图所示）。与传统复合膜相比，这种新型膜不仅制备过程更加安全环保，而且在废弃后能够被土壤中的天然微生物逐步分解。实验结果显示，SNFM在土壤环境中6个月后降解率高达90%，而传统复合膜几乎完全不降解，展现了显著的环境友好性（如下图）。微生物群落分析进一步揭示了其降解机理：SNFM能够选择性促进Delftia和Tissierella等典型降解菌群繁殖，这些菌群通过脂肪发酵等代谢途径持续分解膜材料，并将产物转化为自身能量来源。测试结果表明，SNFM的主要降解产物为乳酸、低聚物和儿茶酚，通过大肠杆菌毒理学实验证明其低危害，从而真正实现了全生命周期的绿色可持续性能。
图2：SNFM的降解机理和产物。（A）土壤自然降解0、3、6个月后的SNFM图像。（B）在3个月（左）和6个月（右）时被土壤微生物降解的SNFM表面的SEM图像（放大倍数：50k×）。（C）基于土壤微生物的SNFM降解速率。插图：土壤微生物在0、3和6个月时降解SNFM的快照。（D）原始土壤和SNFM土壤中群落丰度百分比。（E）原土和SNFM土壤中不同功能物种群落丰度。（F）原土和SNFM土壤中酶的丰度。（G）SNFM的降解产物。（H）SNFM降解产物对大肠杆菌生长的影响。插图：大肠杆菌在含有SNFM降解产物的溶液中的生长图像。
SNFM表现出了卓越的分离性能，其纯水通量高达100.7 L m-2 h-1 bar-1，相比商业纳滤膜GC-NF5001提高了928%，相比传统复合纳滤膜提高了212%，并且在高通量条件下仍能保持超过99%的截留率。尤其有趣的是，SNFM在复杂染料/盐混合体系分离时依旧展现出优异的选择性和稳定性，分离因子高达244，远超对照膜。经过14天的连续运行测试仍能维持稳定的水通量与分离效率，并具有优异的抗污染能力，显示出广泛的应用前景。
这一研究成果首次实现了纳米限域膜制备安全、天然降解与超高性能的有机统一，提出了膜材料全生命周期绿色设计的新范式。SNFM的成功构筑不仅为水处理技术的可持续发展提供了新路径，也为实现“双碳目标”和生态环境保护注入了新的动力。未来，该成果有望广泛应用于污水治理、饮用水净化以及工业水循环利用等领域，对推动绿色低碳社会建设具有重要意义。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s44221-025-00492-x
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