聚苯乙烯磺酸钠调控ZIF-8原位生长制备高性能聚酰胺薄层纳米复合膜及其分离性能研究

《Separation and Purification Technology》：Effect of polystyrene sulfonate on the in-situ growth of ZIF-8 for the fabrication of polyamide-based thin-film nanocomposite membrane

本研究发现通过两步添加聚苯乙烯磺酸钠（PSS）的策略，可有效促进沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）在聚丙烯腈（PAN）基底上的原位生长，显著提升薄层纳米复合（TFN）膜的性能。该方法利用PSS的磺酸基团锚定Zn2+，并通过增强静电排斥作用抑制纳米颗粒聚集，使膜纯水通量提升至18.7 L·m?2·h?1·bar?1（为TFC膜的1.6倍），Na2SO4截留率提高至97.1%，为高性能分离膜设计提供了新思路。

　　

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化学品与材料

聚丙烯腈（PAN）聚合物（分子量50k）购自中国南京稳达贸易有限公司。N-甲基吡咯烷酮（NMP）、2-甲基咪唑（Hmim，99%）、均苯三甲酰氯（TMC，98%）、氧氟沙星（OFL，98%）和磺胺甲基嘧啶（SMX，98%）购自麦克林公司。哌嗪（PIP，99%）、硫酸钠（Na₂SO₄，99%）、对羟基苯甲酸甲酯（MeP，99%）和正己烷由天津江天化学技术有限公司提供。聚苯乙烯磺酸钠（PSS，99%）购自上海英馨生物科技有限公司。

ZIF-8负载基底的特性分析

图2展示了原始PAN基底、PSS修饰的PAN基底（PSS/PAN）及锌离子负载的PSS/PAN基底（Zn²⁺/PSS/PAN）的X射线光电子能谱（XPS）结果。在PSS/PAN中，168 eV处的S 2p峰证实磺酸基团成功引入PAN膜。锌离子浸渍后，1022 eV和1046 eV处出现的Zn 2p_3/2和Zn 2p_1/2峰证实了锌离子通过磺酸基团的螯合作用被固定。

图3对比了不同基底表面ZIF-8的分布情况。PSS修饰的基底表面ZIF-8纳米颗粒分布均匀，无可见团聚现象，表明PSS通过静电排斥和亲水性提升有效抑制了颗粒聚集。

结论

本研究采用两步PSS添加策略，在界面聚合（IP）反应前成功实现了ZIF-8纳米颗粒在PAN基底上的原位合成与沉积。该方法显著提高了ZIF-8的负载密度，同时通过增强表面负电荷和亲水性有效防止了纳米颗粒团聚。最终获得的聚酰胺（PA）薄膜更薄、交联度更低，其纯水通量达18.7 L·m^?2·h^?1·bar^?1，Na₂SO₄截留率提升至97.1%，为高性能TFN膜的制备提供了可靠方法。