四川大学刘百仓教授团队近期于ACS Sustainable Chemistry & Engineering期刊（2021, 9, 50-75）发表题为“基于绿色化学原理的下一代可持续膜”的封面综述论文。该文章的第一作者为博士研究生谢宛岑，通讯作者为刘百仓教授。
该综述涵盖了提高膜技术可持续性的以下重要前沿方向：
i）生物基聚合物用于膜制备；
ii）绿色溶剂用于膜制备；
iii）处理和回收膜制备过程的废水；
iv）人工智能在膜技术中的应用；
v）废弃膜组件的管理。
较低的毒性、较低的环境持久性、智能平台和循环经济是下一代膜技术的关键因素。该综述介绍了以上这些方面的最新进展，为膜科学家和企业制造商提供一些启发，指导和促进整个行业的可持续转型。
【文章简介】
膜技术在大约40年内迅速发展，已广泛运用于多种工业过程。然而，由于膜产业仍存在一些被认为可持续性较低的特征而不能被定义为绿色产业。在膜的制造过程中，原材料主要依赖于不可生物降解的石油基聚合物和有毒的有机溶剂，这些原料的消耗加剧了全球能源危机、同时也对工人身体健康和环境构成威胁，因此，在膜制备过程中提倡使用生物基聚合物和绿色溶剂取代传统原料。此外，膜的制造过程会产生大量含有有机溶剂的废水，应在排放前进行有效处理和回收。在膜制造和使用过程中，人工智能的合理应用也可以显著提高效率。最后，大量废弃膜组件也应再利用或者回收。该综述围绕上述方面，详细评述了提高膜技术可持续性的方法和最新进展，构建了膜产业的循环经济。
鉴于日益严重的能源危机和环境污染问题，提高膜技术的可持续性、促进该领域的绿色转型是未来的发展方向。图1总结了膜制备、使用和废弃膜组件的管理，即从终身过程提高膜技术可持续性的策略，这些策略遵循“绿色化学十二项原则”。
图1.从膜制备到废弃膜组件管理的可持续转型策略
绿色化学原理提倡使用对环境影响较小的可再生材料和生产工艺，在能源危机和环境污染日益严峻的背景下，绿色化学和绿色工程可以是开展可持续生产的重要保障。虽然膜技术被视为一种绿色和可持续的技术，但从膜制造到膜处理的整个过程，都存在对可持续性产生负面影响的问题。
石油基聚合物用作膜材料会牵涉一系列环境问题，而生物基聚合物是提高膜可持续性的可行选择。然而，一些缺点阻碍了生物聚合物的使用，例如差的机械性能、长期的运行不稳定性和高成本。毫无疑问，需要进一步研究以掌握使用生物基材料的制膜方法，实现与当前石油基膜相当甚至提高的性能。生物基膜更容易应用于医学领域和不受微生物降解影响的其他领域。
图2.源自（a）细菌发酵，（b）植物和（c）动物的典型生物基聚合物及其结构式
利用绿色溶剂替代目前的有毒溶剂，是提高膜制备工艺可持续性的另一重要策略。但是，仅凭环境优势无法说服制造商广泛采用绿色溶剂，还应考虑与性能、健康和成本有关的其他因素。因此，选择适合用于膜制备的绿色溶剂是一个巨大的挑战，需要更深入的研究选择合适的绿色溶剂，并在膜制备中利用其优势。
图3.（b-e，g-i）：典型聚合物的三维Hansen溶解度参数球体（红色点：球体内部；绿色点：球体外部）；（a，f，j）：绿色溶剂和CTA，Matrimid®5218和壳聚糖的三维Hansen溶解度参数（这些聚合物的Hansen溶解度球的半径不可得）；（k）：所有绿色溶剂和所有聚合物的三维汉森溶解度参数
鉴于绿色溶剂的有效应用仍存在挑战，有机溶剂废水的处理和循环利用可能是减少污染的可行方法。如果对废水进行有效处理，则可以实现废水的回用，并且可以回收浓缩的有机溶剂。然而，该领域的研究非常有限，迫切需要进行更多的研究以寻找低成本和高效率的净化废水的方法。
为了提高膜制备和使用过程的效率，人工智能技术和相关的计算机领域具有巨大的潜力。相关文献不断涌现，我们相信更多的工作可以将膜技术推向人工智能时代。
废弃膜组件的管理是另一个值得关注的重要问题。应追求减量、回用、回收，而不是直接将其填埋或焚烧，以推动膜产业循环经济的构建。
图4.（a）化学领域中从线性过程到循环过程的转型；（b）膜工业从线性过程到循环过程的转型
然而，定量分析新材料或新工艺的实际影响以及评估其可持续性是一项复杂的工作，应建立一个完整的LCA（包括生产、使用、回收和处置阶段），以考虑与膜技术相关的实际负担。不能仅考虑一种或几种指标就判断溶剂是否更环保，LCA可以更定量地说明影响最大的原材料或工艺，告诉科学家应针对那些问题来迅速采取措施。但是，一个重要的限制是，无论是通过数据库还是通过实验，都难以获得进行可靠的LCA研究所需的数据和信息。
未来对膜性能的定义还应考虑其可持续性，这种转变需要科学技术的创新以及系统思想和系统设计，从而产生全球性的积极影响。
【原文信息】
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c07119
【论文封面】
【作者介绍】
第一作者
博士生：谢宛岑
通讯作者
刘百仓
通讯邮箱：bcliu@scu.edu.cn
课题组网站：http://www.baicangliu.org
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