南科大环境学院分离膜材料研究团队最新成果在ACS可持续发展权威期刊发表封面文章

南方科技大学环境科学与工程学院“创新性水处理先进环境材料研究团队”致力于水处理先进环境材料的开发，新型分离膜材料研发是其核心分支。近期，该研究团队将新型天然高分子壳聚糖分离膜的制备与传统银纳米颗粒的掺杂有机融合，成功设计出一种生物降解性能可控的壳聚糖水处理分离膜。该研究结果发表在可持续发展权威期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering（影响因子：7.632）上，并获选为期刊封面文章。

图1 生物降解性能可控的壳聚糖水处理分离膜示意图

（ACS期刊封面）

壳聚糖可由甲壳素脱乙酰基获得，是一种储量丰富、易于获取的环境友好型天然高分子材料。相较于基于石化资源的传统化工高分子材料，以壳聚糖作为基础材料制备水处理分离膜具有诸多亮点和潜在优势。首先，壳聚糖是可再生天然高分子，其原料的获取可持续且环境友好；其次，基于壳聚糖的分离膜在达到使用寿命后，其废弃处理不会对环境造成负面影响。

然而，壳聚糖的“天然可降解性”对于其作为水处理分离膜制备的基础材料来说是一把“双刃剑”，在带来有利于环境保护的诸多好处的同时，也使得该类型分离膜面临着一系列亟待解决的难题。其中最关键的是：1）壳聚糖的降解将如何影响该类型分离膜的分离性能？2）是否能调控壳聚糖分离膜的生物降解行为以实现维持其稳定分离性能的目的？3）所引入的“抗生物降解机制”是否能以可控的方式在特定时间弭散，从而实现壳聚糖分离膜的可控降解？

针对以上关键问题，分离膜材料研究团队进行了系统的创新性研究。该团队提出将传统的银纳米颗粒掺杂作为生物降解调控的基础手段，并从分离膜次级结构设计的角度研发新型成膜方法，进而有效地调控壳聚糖分离膜的生物降解行为。

该研究首先选用广泛存在于自然界中的溶菌酶作为“降解物”，以不同的表征方法分析了壳聚糖分离膜的分离性能（纯水渗透率和截留率）在降解过程中的变化。实验结果首次证明了酶降解对分离膜次级结构影响的非线性效应，在机理层面揭示了自然降解对该类型分离膜影响的机制。

该研究通过一系列的抗菌和酶降解实验，系统地研究了银纳米颗粒掺杂量对壳聚糖分离膜降解行为的影响。实验结果一方面证实了银纳米颗粒掺杂提升了壳聚糖分离膜的抗菌性能，并以定量的方式表明，银纳米颗粒掺杂能有效地延缓酶降解对壳聚糖分离膜次级结构的损害，从而在一定时期内维持相对稳定的膜分离性能。

该研究的特色之一是采用了由武汉大学张俐娜院士团队开发的新型绿色溶解方法配制壳聚糖铸膜液，并通过改变凝胶条件控制壳聚糖分离膜的次级结构。实验结果表明，壳聚糖分离膜次级结构的改变能够显著影响银纳米颗粒的释出速率，进而证实可通过改变壳聚糖分离膜的制备方法有效地调控该类型分离膜的生物降解性。

图2 银纳米颗粒掺杂对壳聚糖分离膜分离性能的影响

（ACS期刊图形摘要）

在国家施行“禁塑令”的大背景下，本研究对于水处理分离膜的制备和应用具有重要意义。南方科技大学为本论文的第一通讯单位；环境学院硕士毕业生的石述宇和助理研究员刘鑫为该论文的共同第一作者；环境学院研究副教授李炜怡为本文通讯作者；环境学院讲席教授刘崇炫和美国密苏里大学邓保林教授等为本文的共同作者。该工作的开展和完成得到了广东省科技项目（2017ZT07Z479）、国家自然科学基金面上项目（21878140）、深圳市科创委基础研究面上项目（JCYJ20190809172011680）和广东省教育厅普通高校特色创新类项目（ 2019KTSCX158）的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c04585