功能化聚酰胺/MIL-101/碳纳米管膜：一种用于反渗透海水淡化的新型平台

《Desalination and Water Treatment》：Functionalized Polyamide/MIL-101/CNT Membranes: A New Platform for Reverse Osmosis Desalination

本研究通过在聚酰胺支撑层上整合金属有机框架（MIL-101）和多壁碳纳米管（MWCNTs），制备了高性能的反渗透膜。PA/MOF-CNTs-4膜在15巴压力下达到最高水通量33.30 L/m2·h，盐排斥率超过96%，其结构优化和表面特性改善显著提升了膜性能，包括表面亲水性增强、孔隙分布均匀化及热稳定性提高。

　　本文探讨了一种新型的反渗透膜材料，通过将金属有机框架（MOF，具体为MIL-101）和多壁碳纳米管（MWCNTs）引入聚酰胺（PA）膜中，从而提升其水通量和盐截留性能。这项研究的重点在于通过界面聚合技术，将这些纳米材料均匀地嵌入到膜结构中，以实现对传统膜材料在性能上的优化。研究团队发现，经过改良的PA/MOF-CNTs-4膜表现出显著的性能提升，其在15 bar压力下的水通量达到了33.30 L/m2·h，约为纯聚酰胺膜（16.90 L/m2·h）的两倍。同时，该膜的盐截留率也超过了96%，显示出良好的选择性。

在膜材料的制备过程中，首先对聚砜（PS）支持层进行预处理，使其表面清洁并形成均匀的孔隙结构。随后，通过界面聚合技术，在支持层上形成聚酰胺选择层。实验中采用了不同负载量的MOF和MWCNTs，这些材料的引入不仅提高了膜的表面特性，还改善了其整体的结构稳定性。MOF提供了高孔隙率和均匀的水通道，有助于提高水通量，同时保持对盐离子的截留能力。而MWCNTs则通过其疏水性和光滑表面，形成了快速的水流通道，增强了膜的抗污染性能。

研究团队还利用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对膜的表面形态和粗糙度进行了分析。结果显示，PA/MOF-CNTs-4膜具有更高的表面粗糙度和孔隙率，这有助于提高水通量，但同时也需要平衡其对盐截留的影响。此外，通过接触角测试和Zeta电位测量，研究团队评估了膜的亲水性和表面电荷特性。这些测试结果表明，PA/MOF-CNTs-4膜具有更低的接触角，意味着其表面更加亲水，从而减少污染风险并提高水的渗透能力。Zeta电位的变化则显示，膜表面电荷具有可调性，这在不同pH条件下对盐离子的静电排斥效应尤为明显。

在吸附-解吸等温线测试中，研究团队进一步评估了膜对溶质的吸附能力。结果表明，经过MOF和MWCNTs修饰的膜具有更高的表面积和孔隙率，这有助于提高其对污染物的吸附能力。同时，热重分析（TGA）结果显示，这些纳米材料的引入显著提高了膜的热稳定性，使其在高温条件下仍能保持良好的性能。这些结果表明，MOF和MWCNTs的协同作用不仅提升了膜的物理性能，还增强了其化学稳定性和抗污染能力。

综上所述，这项研究通过将MOF和MWCNTs引入聚酰胺膜中，成功开发出一种性能优异的反渗透膜材料。该膜在水通量和盐截留率方面均表现出显著提升，同时具有良好的热稳定性和抗污染能力。这些改进为实现更高效、可持续的海水淡化技术提供了新的思路，也为未来的膜材料设计和应用奠定了基础。