研究人员近日在《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）发表一项膜分离技术进展，提出一种新型高精度过滤膜“POM膜”。研究团队表示，该膜有望在降低能耗的同时，推动工业场景下水资源的大规模循环再利用。参与机构包括CSIR中央盐和海洋化学研究所（CSMCRI）、印度理工学院甘地讷格分校、新加坡南洋理工大学以及S N Bose国家基础科学中心。

工业生产中的药物净化、纺织染料清洗、食品加工等环节普遍依赖“分离”技术。研究指出，相关过程能耗高，占全球工业总能耗的近40%至50%。目前不少工厂仍主要采用蒸馏、蒸发等传统方法进行成分分离，成本较高且碳足迹较重。

研究团队称，尽管膜分离被视为更环保的替代方案，但工业中常用的聚合物膜存在孔径不规则、随时间退化等问题，导致精度与长期稳定性不足，难以满足严苛工业应用需求。

以1纳米孔径为核心的“POM膜”设计

CSMCRI高级科学家Shilpi Kushwaha博士表示，为应对上述限制，团队设计了一种超选择性晶体膜“POM膜”，孔径约为1纳米，膜厚薄至人类头发的数千分之一。

研究称，该精确孔径来自分子层面的结构设计，思路借鉴了水通道蛋白等生物门控蛋白通过特定孔径筛分分子的机制。团队采用多金属氧酸盐（POM）簇作为构筑单元，利用其天然形成且永久存在、宽度精确为1纳米的孔洞。

CSMCRI研究学者、论文共同第一作者Priyanka Dobariya表示，这类POM簇可视为微小的冠状金属簇，中心孔洞“永久且完美”，不易改变或变形，而这正是传统聚合物过滤膜面临的关键难题之一。

为将大量环状结构组装成连续、无缺陷的薄膜，研究团队在簇上连接柔性化学链。研究描述称，当材料置于水面时，这些簇会自然扩散并排列，形成大面积超薄膜；通过调节连接链长度，可控制簇之间的紧密程度。

印度理工学院甘地讷格分校材料工程系副教授Raghavan Ranganathan表示，这种排列方式使分子只能通过每个簇内建的1纳米孔径穿过膜，从而使膜表现为高精度“筛网”。他与该校博士生、论文共同第一作者Vinay Thakur进行了分子级模拟，用于解释膜的工作机制。

分离精度与可扩展性面向纺织、制药场景

研究团队测试了该膜对分子量仅相差100至200道尔顿的分子的区分能力，并称传统聚合物膜难以达到这一精度。CSMCRI首席科学家Ketan Patel表示，这种控制水平为可持续制造提供了新的可能性。

Patel称，POM膜在分离性能上“几乎比现有技术高出十倍”，同时保持柔韧性、稳定性与可扩展性；此外，该膜在不同酸碱度（pH范围）条件下稳定，并可制备为大面积薄片，研究认为这些特性对工业化应用至关重要。

研究将该技术与印度纺织和制药行业的需求联系起来。文中给出的数据称，纺织服装行业贡献超过2.3%的GDP，占工业产值约13%，国内市场规模为1600亿至2250亿美元，预计到2030年将增长至2500亿至3500亿美元。

研究指出，纺织染色与整理环节会产生大量污染废水，染料去除与水循环利用长期存在难度。团队认为，新型膜可选择性去除染料分子，同时允许水回用，从而减少淡水消耗与化学物排放；并提到印度废水处理市场预计未来几年将快速增长。

在制药领域，研究强调精准分离对药物纯度与成本效益制造的重要性。Vinay Thakur表示，药物净化、溶剂回收等流程能耗高且质量要求严格，高选择性膜技术有望在降低能耗的同时满足制药生产标准。

平台化潜力

研究团队认为，POM膜具备可调结构、高选择性以及在较苛刻化学条件下的稳定性，可作为面向多类分离任务的平台技术，应用范围可覆盖废水处理与先进化学加工等场景。研究同时指出，通过将生物体系中分子级精确控制的原理转化为可规模化材料系统，该工作展示了受自然启发的材料设计在工业需求中的应用潜力。