由膜污染导致的能耗和操作成本的增加是反渗透膜在实际应用中面临的主要挑战。研究表明，反渗透膜的污染是由有机物吸附、无机物沉积和菌体生长共同作用的结果。其中，生物污染的占比约为45%，全球每年用于处理反渗透膜生物污染的费用高达150亿，占膜应用成本的30%。与其他类型的膜污染相比，生物污染是反渗透膜系统中危害性最强且最难消除的膜污染类型。生物污染历经微生物扩散、吸附到膜表面，随后释放胞外聚合物（EPS）粘附沉积、生长繁殖并新陈代谢直至成熟衰亡的一系列动态过程。因此，优异的抗生物污染反渗透膜必需同时具备抗菌和抗粘附的双重功效。

为此，中国科学院过程工程研究所生物药制备与递送全国重点实验室生物分离膜工程团队采用简便的氧化还原聚合方法在反渗透膜上同时接枝离子液体单体和磺酸基单体，借助离子液体基团优良的抗菌活性和磺酸基团良好的水合能力，构建同时具有抗菌和抗粘附能力的双功能反渗透膜（图1）。采用该方法制备的反渗透膜（SMP-IL膜）能在不折损盐截留率的同时，使膜的渗透通量提升13%左右。SMP-IL膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率显著优于原膜，分别达到98.2%和96.1%（图2）。同时，该膜对水处理领域中常见的三种模型污染物：牛血清白蛋白（BSA）、腐殖酸（HA）和海藻酸钠（SA）也表现出良好的抗污染能力，经过10小时的连续过滤实验，对BSA和HA溶液的渗透通量下降率仅为7%左右，对SA溶液的渗透通量下降率为14%（图3）。    

图1 双功能反渗透膜的抗生物污染机理示意图

图2 菌体静态附着实验后的生长情况

图3 在不同模型有机污染物下的膜通量衰减情况

为了评估SMP-IL膜的长期运行稳定性，我们比较了原始膜和SMP-IL膜在自来水净化应用中的膜性能。如图4所示，经过10天的过滤实验，可以观察到SMP-IL膜比原始膜具有更高的渗透通量和盐截留率。在整个过滤过程中，两种膜的脱盐率保持相对稳定，但渗透通量持续下降。其中，原始膜的通量衰减率更为显著，约为31.7%，而SMP-IL膜为18.6%。过滤后，用去离子水洗膜30分钟，原始膜的通量恢复率为86.3%，而SMP-IL膜为95.6%。同时，我们使用pH 12的NaOH溶液对两种膜进行了彻底地清洗，并测量其抗菌性能，发现清洗后，原始膜和SMP-IL膜对大肠杆菌的杀菌率分别为19.7%和99.8%，其抗菌性能均与使用前的膜相当，这说明SMP-IL膜具有优异的防污能力和长期稳定性。    

图4 原始膜和SMP-IL膜在为期10天的自来水净化实验中的渗透通量和截留率的变化情况

本研究得到了国家重点研发计划（2021YFC3201401）的支持，有望为改善反渗透膜的抗生物污染能力提供一条便捷的途径。相关研究成果近日以题目为《Dual-Functional Reverse Osmosis Membranes: A Novel Approach to Combat Biofouling with Enhanced Antibacterial and Antiadhesion Properties》发表在Journal of Membrane Science（DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.123699