高性能、抗菌的薄膜纳米复合正向渗透膜，经过羧甲基纤维素-CuO@MIL-53(Fe)纳米颗粒改性

《Inorganic Chemistry Communications》：High-performance, and antibacterial thin film nanocomposite forward osmosis membrane modified with carboxymethyl cellulose-CuO@MIL-53(Fe) nanoparticles

正向渗透膜技术通过引入MIL-53(Fe)纳米颗粒与CuO、CMC复合，制备了TFN-3型高效抗污染膜，水通量达18.80 LMH（提升2.2倍），兼具高选择性、亲水性和抗菌性（针对E. coli和S. aureus）。

　　随着全球人口的持续增长、城市化进程的加快以及气候变化的影响，清洁水资源的需求与短缺之间的矛盾日益加剧，成为当今社会面临的重要挑战之一。根据相关统计，目前全球约有25%的人口无法获得安全的饮用水，而每天约有1000名儿童因不安全的饮用水或缺乏基本卫生设施而死亡。这种严峻的状况预计将在2050年进一步恶化，届时至少有四分之一的世界人口将生活在面临长期或反复性淡水资源短缺的国家。与此同时，水污染问题也愈发严重，尤其是由病原体、重金属、微塑料、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、药物衍生物以及农业化学品等引起的污染，使得水资源危机更加复杂和紧迫。

在这样的背景下，膜技术作为一种高效、节能的水处理手段，受到了广泛关注。其中，正向渗透（Forward Osmosis, FO）因其利用自然的渗透压驱动水分子通过膜，而无需依赖高压，展现出在废水处理、海水淡化和可持续能源生产等领域的巨大潜力。与传统的反向渗透（Reverse Osmosis, RO）和纳滤（Nanofiltration, NF）等压力驱动技术相比，正向渗透具有更低的能量消耗，从而在水资源日益紧张、能源价格不断上涨的环境中显得尤为重要。然而，尽管正向渗透技术具备诸多优势，其在实际应用中仍面临一些关键问题，特别是膜材料的性能限制，如膜的抗污染能力、水通量以及选择性等。

为了克服这些挑战，近年来研究者们将目光投向了新型材料的开发与应用。金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）因其独特的结构、高比表面积、良好的化学和热稳定性以及优异的亲水性等特性，被认为是一种极具前景的膜材料改性手段。MOFs能够有效提升膜的选择性和通量，从而增强其在正向渗透过程中的性能表现。然而，MOFs的无机-有机混合特性可能导致其在聚合物基质中的分散性较差，容易形成宏观孔洞，进而影响膜的盐分离效果。因此，如何改善MOFs在膜材料中的相容性，成为当前膜科学领域的重要研究方向。

针对这一问题，本研究提出了一种基于MOFs的纳米复合材料改性策略。通过使用聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）辅助合成MIL-53(Fe)纳米颗粒，从而控制其晶体生长，减小纳米颗粒的尺寸。随后，将铜氧化物（CuO）和羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）引入MIL-53(Fe)中，形成具有亲水性和抗菌性能的CMC-CuO@MIL-53(Fe)纳米复合材料。这种复合材料随后被嵌入到正向渗透膜的聚酰胺（Polyamide, PA）活性层中，通过界面聚合技术实现其在膜结构中的均匀分布。最终，制备出的TFN-FO膜在水通量、选择性和抗污染能力方面均表现出显著提升，其中在400 ppm纳米材料浓度下的优化膜（TFN-3）水通量达到了18.80 LMH，较未改性的膜提升了近2.2倍。

此外，CMC作为一种水溶性的纤维素衍生物，因其良好的生物相容性、可降解性和亲水性，在膜材料改性中也展现出独特的应用价值。研究表明，CMC能够通过其活性官能团有效排斥有机污染物和盐分，从而提高膜的整体分离效率。同时，CMC的引入还能增强膜表面的亲水性，降低膜的污染风险。然而，尽管CMC在改善膜性能方面具有优势，生物污染问题仍然是废水处理应用中的一大障碍。因此，将抗菌材料引入膜的活性层，成为提升膜抗污染能力的重要策略。本研究中，通过在膜中引入CuO纳米颗粒，不仅提高了膜的抗菌性能，还增强了其对病原体（如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）的抵抗能力，从而实现膜在水处理中的高效运行。

本研究的创新点在于，通过综合运用多种材料的优势，设计出一种兼具高水通量、高选择性和强抗菌性能的新型正向渗透膜。首先，MIL-53(Fe)作为一种具有多孔结构的MOF材料，为膜提供了额外的水传输通道，从而提升其水通量。其次，CMC的引入改善了MOFs与聚合物基质之间的相容性，避免了纳米颗粒在膜中形成宏观孔洞，提高了膜的稳定性。最后，CuO纳米颗粒的添加赋予了膜抗菌功能，使其能够有效抵抗生物污染，从而延长膜的使用寿命，提高其在实际应用中的可行性。

为了验证这一设计的有效性，本研究对合成的CMC-CuO@MIL-53(Fe)纳米复合材料进行了系统的表征分析。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测，确认了MIL-53(Fe)中羧酸基团的存在及其与金属核心的相互作用。此外，还对膜的结构、表面形貌以及性能进行了详细分析，以评估其在正向渗透过程中的表现。实验结果表明，与未改性的膜相比，改性后的膜在水通量、选择性和抗污染能力方面均表现出显著提升，这为未来正向渗透膜的优化提供了新的思路和方法。

在实际应用中，正向渗透膜不仅需要具备高效的分离性能，还需要在长期运行中保持稳定性和耐用性。因此，材料的选择和改性过程必须充分考虑其在不同环境条件下的表现。本研究中，所采用的CMC-CuO@MIL-53(Fe)纳米复合材料在环境友好性方面也具有优势。CMC作为一种天然来源的生物聚合物，具有良好的可降解性，有助于提升膜的可持续性。同时，其与聚合物基质的良好相容性，也使得膜在制备和使用过程中更加环保和高效。这种材料的使用不仅符合当前可持续发展的趋势，也为未来膜技术的绿色化提供了可能。

此外，本研究还强调了材料的协同效应。MIL-53(Fe)、CMC和CuO三者的结合，使得膜在多个方面同时获得提升。MIL-53(Fe)的多孔结构为水分子提供了额外的传输路径，从而提升水通量；CMC的引入增强了膜与聚合物基质之间的相容性，避免了纳米颗粒的聚集和不均匀分布；而CuO的抗菌功能则有效抑制了生物污染，提高了膜的使用寿命和运行效率。这种协同作用不仅提升了膜的整体性能，还为未来膜材料的多功能化设计提供了新的方向。

在实际应用中，正向渗透膜的性能表现不仅取决于材料的选择，还受到膜结构设计和制备工艺的影响。因此，本研究在制备过程中采用了界面聚合技术，将CMC-CuO@MIL-53(Fe)纳米复合材料均匀嵌入到聚酰胺活性层中。这种制备方法能够确保纳米材料在膜中的分布均匀，避免局部浓度过高或过低的问题，从而提高膜的整体性能。此外，通过调整纳米材料的浓度（100、200、400和800 ppm），研究人员能够进一步优化膜的性能，找到最佳的材料添加比例，以实现水通量和选择性的最佳平衡。

在实验过程中，研究人员还对膜的抗菌性能进行了测试。结果显示，改性后的膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出良好的抗菌效果。这种抗菌性能的提升，不仅有助于减少膜的生物污染，还能够延长膜的使用寿命，降低运行成本。同时，这种抗菌功能的实现，也为未来膜技术在医疗、食品和环境等领域的应用提供了可能。

本研究的成果不仅为正向渗透膜的优化提供了新的方法，也为膜材料的绿色化和可持续性发展提供了新的思路。通过使用环境友好的材料，如CMC，不仅提升了膜的可降解性和生物相容性，还增强了纳米材料与聚合物基质之间的相容性，使得膜在制备和使用过程中更加环保和高效。此外，本研究还强调了材料的多功能性，即通过合理的材料组合，可以同时提升膜的水通量、选择性和抗菌性能，从而满足不同应用场景的需求。

在实际应用中，正向渗透膜的性能不仅受到材料和结构的影响，还受到外部环境条件的制约。因此，研究人员还需要进一步探讨膜在不同水质条件下的表现，以及如何通过优化材料和结构设计，提高膜的适应性和稳定性。此外，还需要对膜的长期运行性能进行评估，以确保其在实际应用中的可靠性和可持续性。

本研究的发现为未来正向渗透膜的开发提供了重要的参考价值。通过将MOFs、CMC和CuO等多种材料进行合理的组合和改性，研究人员成功制备出一种具有优异性能的新型膜材料。这种材料的使用不仅提升了膜的分离效率，还增强了其在实际应用中的适应性和稳定性。同时，其抗菌性能的提升，也为膜在水处理中的长期运行提供了保障。

在研究过程中，研究人员还对膜的结构和性能进行了详细的分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等技术，研究人员确认了纳米材料在膜中的均匀分布，并评估了其对膜结构的影响。此外，通过水通量测试和盐分离实验，研究人员验证了改性膜在水处理中的性能表现。实验结果表明，改性后的膜在水通量、选择性和抗污染能力方面均优于未改性的膜，这为未来膜技术的优化提供了重要的实验依据。

总之，本研究通过合理设计和改性，成功制备出一种性能优异的正向渗透膜。这种膜不仅具备高水通量和高选择性，还具有良好的抗菌性能，从而提高了其在废水处理等实际应用中的可行性。同时，其环境友好性和可持续性也使其成为未来膜技术发展的重要方向。本研究的成果为正向渗透技术的进一步推广和应用提供了重要的理论和技术支持。