同濟大學《自然·通訊》：廢棄膜再生后性能反超，為膜產業循環經濟開辟新路徑

在全球追求可持續發展和循環經濟的背景下，膜技術作為水凈化、氣體分離等領域的核心技術，其自身的“壽命終結”問題卻構成了一個巨大的環境悖論。傳統的聚烯烴膜材料依賴于不可再生的石油資源，且在使用3至7年后，會因不可逆污染和結構損傷而淪為廢棄物，最終被填埋或焚燒，不僅加劇了化石資源的消耗，也帶來了顯著的碳排放和環境污染。這種“生產-使用-丟棄”的線性生命周期模式，迫切需要通過創新的技術策略向循環模式轉型。

針對這一挑戰，同濟大學王志偉教授、戴若彬副教授合作提出了一種顛覆性的廢棄膜再生策略，通過將廢棄膜溶解于有機溶劑后重新澆鑄，再生后的膜不僅恢復了性能，其水通量較廢棄膜提升了五倍以上，污染物截留率也顯著提高，甚至在關鍵性能上超越了用原始聚合物粉末制成的新膜。這一“變廢為寶”且“青出于藍”的意外成果，為膜產業的可持續發展提供了全新的思路。相關論文以“Regenerating end-of-life membranes for enhanced sustainability and unexpected performance”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先對從實際膜生物反應器中回收的廢棄聚偏氟乙烯中空纖維膜進行了表征。掃描電鏡圖像顯示，原始廢棄膜表面覆蓋著大量污染物，結構致密。經過溶解再澆鑄的再生膜，則呈現出典型的指狀孔結構和更為致密的分離層（圖2c-e）。性能測試結果令人振奮：再生膜的純水通量達到233.0 L m?2 h?1 bar?1，對牛血清蛋白的截留率高達80.4%，遠超性能衰敗的廢棄膜（通量40.5 L m?2 h?1 bar?1，截留率52.2%）。更出乎意料的是，與用原始PVDF粉末制備的全新參比膜（通量225.9 L m?2 h?1 bar?1，截留率44.7%）相比，再生膜的綜合性能也實現了全面超越（圖2f）。在抗污染性能測試中，無論是面對腐殖酸、海藻酸鈉還是牛血清蛋白，再生膜的通量下降速度均顯著慢于參比膜（圖2g），展現出更優異的長期運行潛力。進一步的表征揭示了性能提升的根源：再生膜具有更小的平均孔徑（圖2h）、更強的親水性（圖2j）和更光滑的表面，這些結構特性共同促成了其卓越的分離效率和抗污染能力。

圖1 | 廢棄膜及基于溶劑驅動的膜再生策略示意圖 a，來自大規模膜生物反應器的廢棄中空纖維聚偏氟乙烯膜。b，利用廢棄膜的可持續膜制備方法。c，膜再生示意圖，展示再生膜致密分離結構和親水表面的形成。低纏結聚合物促進了鑄膜液的相容性提升，污染物的存在增強了膜表面親水性。

圖2 | 再生膜的性能與表征 廢棄膜的表征：a，膜表面SEM圖像。b，斷面SEM圖像。再生膜的表征：c，光學圖像。d，膜表面SEM圖像。e，斷面SEM圖像。f，廢棄膜、再生膜、清洗后再生膜、參比膜和再溶解參比膜的水滲透性和BSA截留率。膜的污染抵抗性能：g，在中性pH、0.1 MPa條件下，膜在200 mg L?1腐殖酸溶液中J/J?隨運行時間的變化。膜的表征：h，孔徑分布。i，斷裂伸長率。j，接觸角。

為了深入探究廢棄膜中殘留污染物的作用，研究團隊設計了一系列對照實驗。他們將清洗干凈的廢棄膜重新溶解，并定量添加了模型污染物（牛血清蛋白和二氧化硅）來模擬殘留污染物的影響。結果顯示，隨著污染物添加量的增加，膜的孔徑逐漸減小（圖3b），親水性增強（圖3c），對牛血清蛋白的截留率也相應提升（圖3a）。這表明，殘留的污染物在再生過程中扮演了“成孔劑”和“親水添加劑”的雙重角色，精細調控了膜的結構。有趣的是，當將相同比例的污染物添加到原始聚合物中時，雖然截留率略有提升，但通量卻顯著下降，效果遠不如使用廢棄膜（圖3d, 3e）。元素分析進一步揭示，在使用原始聚合物制備的膜中，污染物更多是堵塞在孔道內（圖3f, 3g），而在由廢棄膜再生的膜中，污染物則更均勻地融入聚合物基質中，形成了更有序的結構。

圖3 | 污染物摻入對膜性能的影響 摻入0、3、6、9 wt%污染物的膜分別標記為EOL-CR-foulant-0、1、2、3。EOL-CR-foulant膜的性能與表征：a，水滲透性和截留率。b，孔徑分布。灰色柱代表膜的平均孔徑。c，水接觸角。灰色柱代表EOL-CR膜的水接觸角。d，Ref-foulant膜的水滲透性和截留率。e，EOL-CR-foulant膜相比Ref-foulant膜的性能提升比率：水滲透性和截留率。污染物摻入膜斷面的元素含量：f，EOL-CR-BSA和Ref-BSA膜斷面O元素含量。g，EOL-CR-SiO?和Ref-SiO?膜斷面Si元素含量。

研究團隊進一步從高分子物理層面揭示了性能提升的內在機制。他們發現，經歷了長期運行和化學清洗的廢棄膜，其聚合物分子鏈的纏結密度顯著降低（圖4a, 4b）。這種“解纏結”狀態使得廢棄膜在溶劑中具有更好的相容性和更低的粘度（圖4c, 4d），表現出接近理想牛頓流體的行為，有利于形成更均勻的鑄膜液。通過多重光散射技術分析，廢棄膜鑄膜液在短時間內表現出更高的穩定性（圖4e, 4f）。密度泛函理論計算也證實，在低纏結體系中，溶劑分子（NMP）的遷移能壘更低（圖4g, 4h），這意味著在相轉化過程中，聚合物鏈有更充裕的時間進行重排，從而形成更致密、更有序的分離層。三元相圖的結果同樣支持這一結論：再生體系的均相區更大，延遲液-液相分離的發生，為形成更致密的結構創造了熱力學條件（圖4i）。

圖4 | 再生膜形成機理 不同鑄膜液平臺模量的測定：a，損耗模量隨角速度的變化。灰色陰影區域指各膜損耗模量最大值。b，平臺模量。鑄膜液的流變學表征：c，黏度隨剪切速率的變化。d，K值和n值。e，Ref、EOL-CR和EOL-R鑄膜液的光學圖像及沿垂直方向的透射強度曲線。f，Turbiscan Tower三種鑄膜液的重建圖像。密度泛函理論計算：g，低纏結和高纏結PVDF鏈附近NMP分子在初始態、過渡態和終態的擴散示意圖。h，NMP的遷移能壘。i，再生體系和參比體系的PVDF/NMP/水三元體系相圖示意圖。

從環境和經濟角度評估，這種廢棄膜再生策略展現出巨大的優勢。生命周期評估結果顯示，相較于傳統的“生產-使用-丟棄”線性模式，膜再生模式可將二氧化碳當量排放降低38.4%（圖5b），同時在所有評估的環境影響類別中均表現更優。經濟分析則表明，由于大幅減少了新膜的采購和廢棄膜的處理成本，再生模式的成本可降低75.7%。值得一提的是，由于廢棄膜與溶劑的優異相容性，該策略甚至可以在更溫和的條件下使用綠色溶劑（如PolarClean?）進行再生，為進一步降低環境影響和能耗提供了可能。

圖5 | 兩種情景的生命周期影響評估 a，本研究中描述聚合物生產、膜制備、膜再生和處置過程的LCA系統邊界示意圖。b，兩種情景在所有影響類別中的相對影響。第一組與常見生態系統和人體健康相關，包括氣候變化、臭氧消耗、電離輻射、細顆粒物形成、光化學氧化劑形成：生態系統質量、光化學氧化劑形成：人體健康、陸地酸化、淡水富營養化和海水富營養化。第二組與毒性效應相關，包括陸地生態毒性、淡水生態毒性、海洋生態毒性、人體毒性：癌癥和人體毒性：非癌癥。第三組與資源和能源消耗相關，包括土地利用、水資源消耗、礦物資源稀缺性和化石資源稀缺性。歸一化的100%影響為傳統線性情景的影響。c，各情景過程中電力、溶劑和其他因素對碳排放的貢獻。

這項研究顛覆了人們對廢棄膜的傳統認知。那些在運行過程中導致膜性能下降的“元兇”——污染物和聚合物老化（解纏結），在再生過程中反而成為了提升性能的“功臣”。這一“置之死地而后生”的發現，不僅為膜技術的循環利用提供了科學依據和可行路徑，更預示著未來膜產業可以從“線性消耗”轉向“閉環增值”。盡管該技術在面對不同膜材料和帶有支撐層的商業膜時仍需進一步優化，但其與現有工業生產線的高度兼容性，使其具備了規模化應用的巨大潛力，為構建可持續的膜循環經濟邁出了關鍵一步。