在超微孔氢键有机框架膜中构建仿生氯离子通道以实现高盐废水增值利用

把咸废水变成有用资源

现代工业产生大量高盐废水，处理成本高昂且常成为负担。本文介绍了一种新型超薄滤膜，借鉴了自然中离子通道的策略，从含矿物质的浑浊盐卤中分离出食盐的成分。通过这种方式，它既能净化难处理的废物流，又能将本会成为废物的物质转化为有价值的产物：高纯度的盐。

为什么分离盐类如此困难

许多行业——从化工厂到制药与染料制造——都会产生含有多种盐类的废水。一个核心难题是将氯离子（与钠结合形成食盐）从硫酸盐等更大或带更高电荷的阴离子中分离出来。现有膜材料通常只能在两者之间取其一：要么传输速度快，要么对不同离子有很强的区分能力。在单一膜中同时实现高速和高选择性，尤其是在与单个水合离子相关的纳米尺度下，一直很难突破。

借用活细胞的设计蓝图

自然已经解决了类似的问题。被称为氯离子通道的蛋白质镶嵌在细胞膜中，引导氯离子通过，同时阻止许多其他离子进入，它们以惊人的速度和选择性完成这一任务。作者们着手模仿这些天然通道的两个关键特征。首先，通道的通道孔径恰好足以容纳离子，但具有一定的柔性，能在离子通过时略作调节。第二，通道内壁布满可以形成弱氢键的基团，帮助稳定那些在挤过通道时部分脱去周围水合壳的离子。

构建柔性的人工通道

为了在合成材料中再现这种行为，团队用一种称为 HOF‑DAT 的氢键有机框架（HOF）制备了膜。这种材料自组装成叠层分子片，形成规律的超微孔网络，孔径约为半纳米——仅略大于被薄水壳包围的离子。关键在于，该框架由氢键和堆叠的芳香环维系，使其既具有晶体特性又略显柔性。孔壁上的官能团提供氢键供体，营造出类似生物通道那种柔软、交互性的内部环境，而非刚硬的矿物管道。

膜如何区分“优胜者”和“落选者”

计算机模拟和 X 射线测量显示，当氯离子及类似的小阴离子通过时，孔径会微微扩大，使它们只需脱去少量水分子。与此同时，膜内的氢键供体会替代这些丢失的水分子接触，从而使氯离子在通道内感到几乎与在体相水中一样稳定。较大且带双电荷的硫酸根等离子进入时必须脱去更多水分子，而框架无法充分补偿这些失去的相互作用。它们也更容易与周围原子发生强结合，变得迟缓并常在孔口滞留。脱水代价和结合行为的差异导致了显著的结果：该膜对氯离子的传输相对于硫酸根提高了 400 倍以上，同时氯离子的通量仍高于主流商业膜。

从实验室膜到实际废水处理

研究人员随后在一个电渗析系统中测试了该膜，旨在将超高盐废水升级为近纯的氯化钠流。在两级工艺中，HOF‑DAT 膜首先将氯离子从硫酸根中分离出来，然后将其浓缩到接近结晶的水平。与一种广泛使用的商业阴离子交换膜相比，新材料生成的盐纯度远高——约为 99.6 wt% 对比约 73%——同时能耗降低近 30%。该膜在高盐溶液以及较宽的酸碱条件下保持稳定，表明它可应对工业盐卤的苛刻环境。

设计智能过滤器的新路径

通过谨慎模仿生物氯离子通道在孔径、柔性和温和氢键相互作用之间的平衡，这项工作打破了离子分离膜中速度与选择性之间的常见权衡。基于 HOF 的设计表明，可以通过亚纳米通道以极低能量势垒引导特定离子通过，同时强烈排斥其他离子。除了改善从难处理废水中回收盐分外，这种仿生方法还为设计下一代膜提供了通用蓝图，可用于水净化、资源回收和能源技术等多种任务。

引用: Zhang, S., Wan, Z., Zhang, X. et al. Engineering biomimetic chloride channels in ultramicroporous hydrogen-bonded organic framework membranes for high-salinity wastewater valorization. Nat Commun 17, 3047 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69947-3

关键词: 离子选择性膜, 氯离子分离, 超高盐废水, 仿生材料, 电渗析