制备方法及热处理对3D打印辅助MnO?·X-CeO?·X/Al?O?基整体材料催化甲苯氧化性能提升的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Influence of preparation methods and thermal treatment on the enhancement of toluene oxidation by 3D printed assisted MnO X-CeO X/Al 2O 3-based monoliths

聚酰胺反渗透膜通过共溶剂域控制方法优化微结构，显著提升海水淡化性能，通量达54.5 LMH（提升158.5%），脱盐率98.7%。研究结合分子动力学模拟与实验分析，揭示界面调节剂调控单体浓度分布，优化交联度及孔隙结构，增强水分子传输通道，同时通过多参数协同调控实现膜表面亲水化与抗污染性协同优化。

　　本研究围绕聚酰胺（PA）反渗透（RO）膜的性能提升展开，重点探讨了通过调控膜的微结构来优化其分离能力的策略。反渗透膜作为海水淡化、废水处理、生物医学等领域的重要工具，其性能直接关系到水资源利用效率和工业应用的可行性。然而，尽管PA膜因其优良的分离特性被广泛应用，如何通过精确控制膜的微观结构以实现最佳的分离效果，依然是该领域面临的重要挑战。

研究团队提出了一种简便的共溶剂域调控方法，通过调整界面聚合反应的环境，制备出具有可调微结构的RO膜。这种方法不仅提升了膜的水通量，还保持了较高的盐截留率，从而实现了更高效的海水淡化效果。实验数据显示，采用共溶剂调控技术制备的PA-三乙胺（TEA）膜的水通量达到了54.5 Lm?2h?1，比传统PA膜的21.1 Lm?2h?1提高了158.5%。同时，该膜的NaCl截留率高达98.7%，优于现有的结构改性RO膜。这一成果表明，通过合理调控膜的微结构，可以显著提升其分离性能，为后续研究提供了重要的参考依据。

为了深入理解不同共溶剂和pH条件对膜微结构及分离性能的影响，研究采用了多种互补的技术手段，包括分子动力学模拟和实验数据分析。结果显示，合适的界面调节剂不仅能够调节有机单体的浓度，从而精细控制活性层的交联度和孔结构，还能够引入额外的亲水位点，促进水分子的传输，提高整体的水传输效率。这些发现为优化膜的微观结构提供了理论支持，并揭示了界面调节剂在膜形成过程中的协同作用机制。

界面聚合（IP）是制备PA RO膜的常用方法，通常涉及水相中的二胺单体与有机相中的三官能团酸氯单体在界面处发生聚合反应，形成致密的聚酰胺层。然而，传统IP过程具有反应速度快、难以精确控制等缺点，这限制了膜性能的进一步提升。因此，研究团队开发了一种新的调控方法，即通过引入界面调节剂，实现对聚合反应条件的精确控制，从而优化膜的微观结构。这种技术被称为界面调节剂域调控界面聚合（IDCIP）。在IDCIP过程中，通过调节水相的pH值，可以有效改变界面聚合的反应路径，进而影响膜的表面形态、活性层厚度、孔径及其分布等关键特性。

研究中，团队设计并制备了四种PA RO膜，分别使用了不同的水相界面调节剂，包括三乙胺（TEA）、异丙醇（IPA）、氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl）。通过对这些膜的表面物理化学性质进行系统表征，如元素组成、化学结构、微形貌、表面电荷和亲水性等，研究团队发现，适当的水相条件能够赋予膜更大的表面积、更致密的顶层结构、更薄的活性层厚度以及均匀分布的中等孔径。这些特性共同作用，使得膜在保持高盐截留率的同时，实现了更高的水通量。

此外，研究还探讨了不同微结构对膜分离性能的影响。通过分子动力学模拟，团队发现，较低的交联度能够产生较大的自由体积（FV），而更多的羧基则增强了活性层内部结构的极性，提供了更多的水分子传输通道。这些结构特征不仅有助于提高水分子的渗透速率，还能够有效阻止盐离子的通过，从而提升膜的分离效率。研究进一步指出，膜的微孔结构在分离过程中起着决定性作用，合理的孔径分布能够实现对不同分子的精准筛选，提高分离的效率和选择性。

研究团队在实验中采用了一系列技术手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和接触角测量等，以全面评估膜的物理化学性质。这些分析方法不仅揭示了膜微结构的变化，还为理解膜性能的提升机制提供了重要的实验依据。同时，团队还通过模拟实验验证了理论模型的正确性，进一步确认了界面调节剂在调控膜微结构中的关键作用。

本研究的核心目标在于揭示界面调节剂在PA膜形成过程中的协同机制，从而加深对改性策略与膜性能之间关系的理解。通过系统的实验设计和数据分析，研究团队不仅证明了界面调节剂对膜微结构的调控能力，还探索了不同条件下的反应路径和产物特性。这些发现对于进一步优化膜的性能具有重要意义，也为大规模工业生产高性能PA膜提供了技术指导。

从应用角度来看，本研究的成果具有广阔的前景。通过精确调控膜的微结构，可以满足不同应用场景对膜性能的需求，例如在海水淡化中，需要高水通量和高盐截留率的膜；而在废水处理中，可能需要具有更强抗污染能力的膜。因此，本研究不仅为膜材料的设计提供了新的思路，还为实际应用中膜性能的优化提供了可行的方案。此外，研究中所采用的共溶剂调控方法具有一定的通用性，可以应用于其他类型的膜材料，为膜科学的发展贡献了新的视角。

在技术实现方面，本研究采用了多种先进的表征和模拟技术，以确保实验结果的准确性和可靠性。这些技术手段不仅有助于理解膜的微观结构，还能够为后续的膜性能优化提供理论支持。例如，分子动力学模拟可以预测不同结构参数对膜性能的影响，而实验分析则能够验证这些预测，形成完整的理论与实践闭环。这种多学科交叉的研究方法，不仅提高了研究的深度，还增强了结果的说服力。

总体而言，本研究通过引入界面调节剂，成功实现了对PA RO膜微结构的调控，从而显著提升了其分离性能。这种新方法为膜材料的开发和应用提供了重要的理论依据和技术路径，具有重要的学术价值和应用潜力。未来，随着对膜微结构调控机制的进一步深入，以及相关技术的不断完善，PA RO膜有望在更多领域发挥更大的作用，推动水资源利用技术的进步。