。虽然这些努力导致膜性能的逐步改进，却分散了研究人员探索制造科学和工艺系统级问题的注意力。修复海水淡化膜创新路线首先要从系统级性能改进、可制造性和生命周期性能方面的材料发现研究开始

　　全球水资源短缺正在促进对海水、苦咸水和废水处理的扩大。强大的处理系统通常采用半透反渗透（RO）膜屏障，这些膜屏障允许清洁水通过，同时截留大部分（99%）盐、溶解有机物和病原体。虽然对于膜化学、形态和模块设计进行了大量研究以优化其效率，但大多数处理系统仍然使用了50多年前为海水淡化开发的膜模块，这表明水处理行业需要重新评估海水淡化和水处理膜创新路线的更广泛需求。

　　在基于膜的海水淡化和水处理工艺方面，过去的突破是通过共同发现具有理想分离性能的新材料，并将这些材料大规模加工成膜的制造工具实现的。在20世纪60年代，第一批创新将醋酸纤维素的高盐排斥特性与非溶剂诱导的相分离制造工艺相结合。20年后，通过界面聚合制造的芳香族聚酰胺材料的发现导致了薄膜复合（TFC）膜的出现，该膜在水生产率和脱盐率方面提高了20倍。四十年后，聚酰胺TFC膜仍然是RO膜的黄金标准，从最大的海水淡化厂到厨房水槽下方的RO系统使用点，几乎应用于每个RO膜处理系统。

　　虽然TFC膜在海水淡化膜性能方面有所提高，但对于现在处理的各种非传统源水来说，并不是一个完美的解决方案。聚酰胺膜电荷密度在拒绝溶解离子方面表现出色，但并不能有效地拒绝小的中性分子，例如N-亚硝基二甲胺、尿素或硼，这对水的再利用至关重要。此外，聚酰胺膜容易结垢，在有氧化性清洁产品的情况下会退化，并且只能承受中等压力（约65巴），过高的压力会使性能退化或失效。

　　如今，海水淡化系统设计人员已经设计了针对膜污染、脱硫不良、氧化降解和低爆破压力的工艺解决方案。广泛的预处理系统减少了结垢，RO之前的脱氯可以减少氧化损伤，而先进的氧化过程则可以破坏渗透液中的有机分子，同时采用热解决方案可以用于盐水浓缩。这些措施不仅可以提高海水淡化和水处理的能耗，还可以降低总体平准化成本。

　　同时，膜研究界提出了几类新的材料来解决上述问题。现在报道了许多透水性更高、选择性更好、更耐结垢和耐化学性的膜，这些膜使用非聚合物材料作为填料，以增强聚合物基质的性能。这些填料包括碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、沸石、水通道蛋白和金属有机骨架。第二种方法将材料视为聚酰胺膜的替代品。这些替代材料旨在用作独立膜（非混合基质），可分为有机聚合物和无机材料。聚合物替代品的例子包括其他缩合聚合物，例如聚酯和环氧化物基膜。无机材料包括陶瓷、碳分子筛、石墨烯或氧化石墨烯。不幸的是，这些材料都没有在大规模应用中取代聚酰胺TFC膜。这些材料目前无法大规模生产，浇铸成无缺陷的超薄膜，或卷入易于集成到处理撬块中的模块中。

　　这些失败揭示了海水淡化膜创新管道中的一个关键缺口。膜材料的发现、设计和合成已经脱离了膜制造、膜组件设计和工艺系统工程。修复膜创新管道将需要三个关键干预措施：在材料发现过程中强大的系统级情境化，在相关条件和生命周期下测试新材料的严格方法，以及相关规模的可制造性早期筛选。

　　为了更好地呈现新的海水淡化膜材料发展的背景，应该在单元过程和整个水处理系统的背景下量化材料的价值主张。例如，近乎无摩擦孔排列的碳纳米管膜可以提高透水性，但由于浓盐传质的限制，膜的生产率主要受到限制。简言之，现在正在寻求解决这个问题的方法。优化和高效的膜间隔条设计将是解决低水生产率的更有效研究方法。过程系统优化模型和技术经济和生命周期评估相结合，是确定有影响力的创新目标的基础工具，可以通过量化创新的系统级优势来确定创新需求的优先级，例如具有改进的有机物去除率、更好的耐氯性或更高爆破压力的膜。这些工具还可以帮助科学家定义膜性能改进的上限，并探索资本和运营成本的平衡。

　　一旦确定了系统级需求，就必须在相关条件下测试潜在的材料解决方案。海水淡化设施预计将在 5 到 7 年内更换膜，但很少有研究人员评估材料在长时间或重复清洁周期内的稳定性。有机物、细胞外聚合物物质或沉淀的无机材料会迅速覆盖复杂的化学成分和质地，如果它们抑制日常清洁，则使其无效甚至对性能有害。成功的结垢管理方法应该认识到膜表面在使用膜的那一刻就会发生变化，因此应该专注于实时感知和管理结垢的新方法。

　　大规模可制造性是开发高冲击海水淡化膜的另一个基本标准。最近提出的海水淡化膜材料很少具有可扩展或经济上可行的制造途径来服务于市政饮用水市场。此外，在多平方公里区域内不可能实现无缺陷的制造技术，这使得单层无机材料不适合在海水淡化应用中部署。混合基质膜提供了一定程度的聚合物可加工性和可扩展性，但传统的制造工艺，如铸造或挤出，使得填充材料的定向或位置控制具有挑战性。同样，新兴聚合物材料，如自组装聚合物、本征多孔聚合物和聚电解质配合物，是一类令人兴奋的潜在易于制造的材料，但对数十年前聚合物制造工艺的持续依赖可能会阻止这些材料在膜中表现出所需的性能。必须开发新的或修改现有的制造工艺来解决这些弱点，并且在宽度高达40英寸的情况下实现每分钟几米的生产率，这是当前海水淡化膜的行业标准。

　　还需要获得制造科学基础设施来解决这些弱点。大多数膜研究发生在实验室中，这些实验室对膜制造工具的访问有限。为了探索新材料在膜中的有效性，需要了解应用于这些材料的常规和新兴制造技术。因此需要放大和原型制作设施，用于散装材料生产、膜制造和元件组装，以支持膜研究人员在整个研究、开发、演示和部署管道中解决可制造性问题的尝试。同时，膜制造领域的重量级人物可以更公开地阐明制造要求，经验丰富的科学家们可以为水处理膜制造提供他们的专业知识，来自卷对卷、挤出、印刷、聚合物加工和纳米材料应用领域的科学家都可以提供宝贵的经验。当然，这些设施和伙伴关系伴随着研究成本的增加。因此，需要资助机构充分支持膜制造创新，并在可能的情况下纳入制造研究基础设施和其他系统级专家。

　　过度宣传毫米级膜并宣称它将如何改变水处理的现状必须结束。这些努力导致膜性能的逐步改进，却分散了研究人员探索制造科学和工艺系统级问题的注意力。修复海水淡化膜创新管道首先要从系统级性能改进、可制造性和生命周期性能方面的材料发现研究开始。这样做将大大提高膜科学界对应用研究的关注。