四十多年来，反渗透 (RO) 一直是水净化领域的主流方法，代表着可持续水处理的重大进步。在瞬息万变的世界中，RO 技术一直难以跟上时代步伐，自聚酰胺膜问世以来，RO 技术几乎没有任何创新。
随着世界各地水资源压力的日益加剧，可靠且经济高效的水资源再利用正成为一项迫切的需求。对于工业废水而言尤其如此，因为高耗水量的工业流程与市政和农业用水需求的竞争日益激烈，并且由于可用水资源的匮乏，产量可能会下降。
2023年的一项研究回顾了全球水资源再利用的最新进展，指出“到2030年，全球用水量可能增长至目前可用水量的约160%”。为避免全球水危机，亟需变革。更具体地说，膜材料科学的变革早已迫在眉睫。如今，在两性离子创新化学的驱动下，水处理领域迎来了新时代。
随着对清洁水的需求日益增长，两性离子膜为应对水处理挑战提供了一种新途径，为更可持续的未来带来了希望。这项突破性技术不受不可逆污染的影响，目前已在乳制品废水、粪便消化物、食品消化物、家禽废水等多个行业中得到应用，并正在改变着水处理行业。两性离子膜用途广泛，可应用于其他多种领域，具有革新水处理方式的潜力，有望使我们更接近实现人人享有清洁水的目标。
深入探究：什么是两性离子共聚物？
那么，两性离子是如何成为拯救世界废水的技术的呢？让我们来探索其背后的科学原理。共聚物和聚合物在材料化学中至关重要，构成了现代制造业的基础。由重复单体单元组成的聚合物可以是天然的（如蛋白质），也可以是合成的（如聚乙烯）。另一方面，共聚物包含多种类型的单体。对这些材料的处理会显著影响强度和柔韧性等特性。例如，在超滤 (UF) 中，最常用的聚合物是 PVDF（聚偏氟乙烯）和 PES（聚醚砜），它们因其耐用性和过滤性能而备受推崇。
那么，这些卓越的两性离子在水处理中扮演着怎样的角色呢？简而言之，两性离子是一种同时带有正电荷和负电荷的分子，它们相互抵消，形成一种既电离又保持电中性的分子。某些两性离子也是可以进行聚合反应的有机分子的一部分。精心挑选这些两性离子单体可以生成一类非常独特的材料：引入两性离子功能团的亲水共聚物。这些材料可以构成先进膜技术的基石，其功能足以改变水回用领域的格局。
两性离子在水处理中的优势
两性离子几乎就像自然界特有的防污材料，以其表面不易积聚污垢而闻名。这一特性在水和废水处理中尤为重要，因为膜的寿命与去除有机物或生物污垢的清洗频率直接相关。只需将两性离子集成到水处理膜中，即可显著提高膜的效率和使用寿命，并带来其他诸多益处，例如：
1. 延长膜寿命
两性离子显著减少了膜表面生物污垢和其他有机物质的积聚，延长了膜的寿命。
2. 提高渗透性
两性离子具有高度亲水性，可提高渗透性。两性离子膜能够抵抗有机污垢和生物污垢，与传统膜相比，能够保持水流速度更快、更长时间，从而确保高效的水处理工艺。
3.成本效益
两性离子膜减少了苛刻的清洗需求，从而降低了膜更换的需求。停机时间更短、维护成本更低、化学品用量更少、更换成本更低，从而显著降低总体运营成本。
4. 应用范围广泛
两性离子的防污特性使其成为各种水和废水处理（包括废水回用）的革命性进步。由于其极强的亲水性，它们能够有效去除脂肪、油、油脂和蛋白质等有机物。
5. 提高一致性
两性离子膜具有抗污染的能力，可以更一致、更有效地去除污染物，从而获得更高质量的纯净水并减少系统停机时间。
两性离子和膜：新前沿
现在的问题不再是两性离子是否应该用于水和废水处理工艺，而是如何才能充分发挥它们的潜力。虽然它们的化学性质引人入胜，但将它们的潜力转化为实际进展却困难重重。
克服历史障碍
两性离子材料长期以来被认为是一种很有前景的防污表面化学材料，但将两性离子材料融入水处理膜的实用解决方案却一直难以找到。临时的表面处理方法通常无法真正有效地解决膜污染问题，尤其是因为它们无法解决多孔膜结构内部油污和其他污垢的吸收问题。
利用两性离子材料构建新型膜材料一直是多年来的难题。亲水性（“喜水”）材料与传统的相转化膜制造工艺不兼容，而且从化学角度来看，“亲水性”和“水溶性”之间的区别有时非常细微。然而，2013年，塔夫茨大学的研究人员取得了突破性进展，他们发现将两性离子单体与疏水性单体结合的特种共聚物可以生成具有惊人自组装孔结构能力的稳定材料。2018年，ZwitterCo公司成立，旨在扩大这项前景广阔的技术的规模并实现商业化。
自组装两性离子共聚物开启了一类新型膜材料的大门，该材料利用具有可预测和可控孔径的永久性两性离子结构。与膜的使用寿命内最终会被洗掉的“涂层”不同，两性离子可以成为活性膜层的一部分。这一突破带来了非常稳定的膜层，其纳米级孔径可有效排斥脂肪、油和油脂等有机物质。这意味着它们也更容易用水或温和的化学药剂清洗。
由这些两性离子共聚物制成的聚合物膜不仅仅是水过滤的又一步——它们对于水的再利用和拯救地球来说具有革命性意义。
ZwitterCo 超滤：突破膜技术的限制
两性离子共聚物的应用彻底改变了膜技术的格局。ZwitterCo公司由此定义了一种介于超滤和纳滤之间的新型分离技术：超滤。这种专为高污染工业流体设计的两性离子超滤膜，具有前所未有的抗污染性能、低能耗、宽广的pH耐受范围，并且能够使用氯进行清洗。
高强度废水（例如乳制品废水、消化物以及肉类和家禽废水）通常由于有机物污染问题而无法使用传统膜进行处理。ZwitterCo 超滤技术突破了以往膜无法触及的领域，彻底解决了这一难题。
ZwitterCo SF 膜专为分离溶解和不溶解成分而设计，例如捕获蛋白质，同时过滤无机分子。该膜结构紧密，能够去除油脂（FOG）和高强度有机物，为废水反渗透提供理想的预处理方案，即使在世界上最难处理的溪流中也能有效发挥作用。
更优质的 RO 元件：ZwitterCo RO 膜
除了超滤之外，ZwitterCo 还取得了革命性的进步，创造了可持续且功能强大的两性离子反渗透膜，站在这场变革的前沿，在全球范围内改变工业水处理方式。
ZwitterCo 反渗透膜元件提供标准工业尺寸，可无缝集成到现有系统中，无需额外设备或改造。其安装和操作与其他反渗透膜一样简单，但性能更佳，维护需求更低。只需 30 分钟淡水冲洗或短时间碱洗，膜即可完全再生，恢复初始性能。通过降低高达 90% 的运营成本和清洗频率，该系统可使系统以最大容量运行，并将停机时间降至最低。
两性离子技术在水处理膜领域的应用标志着该行业亟需变革的重大转变，为以往难以取得成功的领域开启了新的可能性。过去，将先进材料与水处理解决方案相结合面临诸多挑战，且往往在实际应用中失败。如今，该领域的一种新型材料——两性离子——有望改变现状。两性离子化学或许错综复杂，但其影响为未来全球水资源的充足供应以及更清洁、更可持续的用水带来了希望。
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来源：
- 全球水资源短缺问题迫在眉睫。以下是一些可以采取的措施。
- https://viceprovost.tufts.edu/membranes-zwitterion-containing-copolymer-selective-layers
- GOV
- Abou-Shady, A.；Siddique, MS；Yu, W. 2019-2021年全球水资源再利用最新进展及未来水危机应对展望。《环境》2023, 10, 159。 https://doi.org/10.3390/environments10090159
