通过单宁酸-Fe3?改性的Ti?C?T?中间层对聚酰胺纳米过滤膜进行定制，以提高分离效果和耐用性

《Separation and Purification Technology》：Tailoring polyamide nanofiltration membranes via tannic acid-Fe3+ modified Ti 3C 2T x interlayer for enhanced separation and durability

提高纳滤膜渗透性与选择性的平衡并增强其耐久性是先进水处理的关键挑战。本研究通过将鞣酸-Fe3?复合修饰的Ti?C?Tx纳米片作为中间层，成功开发了新型薄层复合膜（TFNi），其水通量达14.13 L·m?2·h?1·bar?1，Na?SO? rejection为98.3%，较原膜分别提升136%和0.9%，并展现出优异的抗污染性和在严苛条件下的稳定性。

　　这项研究针对纳米过滤膜在先进水处理技术中的关键挑战——渗透性与选择性的平衡以及膜的耐久性，提出了一种创新的解决方案。研究人员开发了一种基于新层结构的薄层复合膜（TFNi），通过在聚砜（PSF）基材与聚酰胺选择层之间引入一种由单宁酸（TA）与Fe3?复合修饰的Ti?C?T?纳米片构成的新层，显著提升了膜的性能。这种新层结构不仅优化了膜的微观结构，还增强了膜的表面亲水性和电负性，从而在保持高选择性的同时大幅提高了水通量。

研究团队首先详细描述了膜的制备过程。TA-Fe3?复合修饰的Ti?C?T?纳米片是通过一系列化学反应和物理处理得到的。初始阶段，Ti?AlC?粉末在LiF/HCl混合液中进行蚀刻处理，以获得Ti?C?T?纳米片。随后，单宁酸被添加到纳米片的分散体系中，并在黑暗环境中进行充分混合，以确保其均匀分布。接着，FeCl?·6H?O被加入并剧烈搅拌，形成TA-Fe3?复合物。这些复合纳米片通过离心或其他物理方法收集，并进一步用于膜的制备。整个过程强调了对纳米片表面化学性质的调控，以确保其在后续应用中能够发挥最佳功能。

在膜的表征部分，研究团队对原始TFC膜、Ti?C?T? TFNi膜（TFNi-M5）以及TA-Ti?C?T? TFNi膜（TFNi-TAx）进行了系统分析。通过对膜结构的观察，他们发现原始TFC膜呈现出典型的聚酰胺结节状形态（如图2a1所示），这种结构通常与较差的膜性能相关。相比之下，TFNi-M5膜在性能上表现出更平衡的特性，而TFNi-TAx膜则进一步优化了膜的表面性质。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术，研究团队揭示了TA-Ti?C?T?纳米片如何在基材与选择层之间形成稳定的连接，从而减少基材的侵入和结构缺陷，提高膜的整体性能。

在性能测试方面，研究团队评估了优化后的TFNi膜在不同条件下的表现。结果显示，该膜在水通量方面表现出显著提升，达到了14.13 L·m?2·h?1·bar?1，比原始膜提高了136%。同时，其对Na?SO?的截留率高达98.3%，仅比原始膜增加了0.9%。这一结果表明，尽管水通量大幅提升，但膜的选择性并未受到明显影响，反而有所增强。此外，该膜在抗污染性能方面也表现出色，即使在暴露于蛋白质和天然有机物等污染物后，仍能保持超过92%的通量恢复率。这一特性对于实际应用中的膜污染问题具有重要意义，因为它意味着膜在长期运行中仍能维持较高的工作效率。

研究团队进一步探讨了TA-Ti?C?T?纳米片如何影响膜的性能。他们认为，这种纳米片的引入不仅改善了膜的微观结构，还通过其独特的物理和化学性质增强了膜的功能性。首先，TA-Ti?C?T?纳米片的亲水性使得水分子能够更顺畅地通过膜，从而提高了水通量。其次，纳米片的电负性增强了膜对离子的排斥作用，有助于维持高截留率。此外，纳米片的多孔结构为水分子提供了额外的通道，而这些通道在一定程度上不影响膜对污染物的截留能力，从而实现了水通量与选择性的协同提升。

值得注意的是，该研究还关注了膜在极端环境下的稳定性。在高盐度、高压和不同pH值的条件下，TFNi膜均表现出优异的耐久性。这表明，该膜不仅适用于常规的水处理场景，还能够在更具挑战性的环境中保持高效运行。例如，在高盐度条件下，膜的结构稳定性得到了保障，避免了因盐分渗透而导致的性能下降。在高压环境下，膜的机械强度和抗压能力也得到了增强，确保了其在实际应用中的可靠性。而在不同pH值的测试中，膜的化学稳定性得到了验证，说明其能够在广泛的酸碱环境中保持良好的性能。

研究团队在结论部分总结了该研究的主要成果。他们指出，通过引入TA-Fe3?复合修饰的Ti?C?T?纳米片作为新层，成功构建了一种高性能的TFNi膜。这种新层不仅调控了聚酰胺层的形成过程，还通过其独特的物理和化学性质，提升了膜的整体性能。在最佳的三层层沉积条件下，膜的水通量和截留率均达到理想水平，且在抗污染和耐久性方面表现出色。这些发现表明，通过合理的MXene新层设计，可以有效克服传统膜在渗透性与选择性之间的权衡问题，为下一代纳米过滤膜的发展提供了新的思路。

此外，研究团队还讨论了该研究的潜在应用价值。TA-Ti?C?T?纳米片的引入不仅提升了膜的性能，还为膜材料的进一步优化提供了可能性。例如，未来的研究可以探索不同类型的表面修饰材料，以进一步提高膜的亲水性和电负性，或者结合其他功能材料，以增强膜的抗污染能力。同时，该研究也为纳米过滤膜的工业化生产提供了可行的路径，因为其制备过程具有良好的可扩展性。通过调整纳米片的沉积层数和修饰条件，可以灵活地控制膜的性能，满足不同应用场景的需求。

该研究还强调了MXene材料在膜工程中的潜力。MXene因其独特的二维结构、丰富的表面化学和优异的亲水性，被认为是未来膜材料的重要候选者。然而，由于其容易堆叠、分散性差以及与聚合物基材之间的结合力不足，MXene在实际应用中仍面临诸多挑战。通过表面修饰，如单宁酸与Fe3?的复合，可以有效解决这些问题，使MXene能够更好地与其他材料结合，发挥其优势。这种修饰方法不仅提高了MXene的分散稳定性，还增强了其与聚合物基材的相互作用，从而构建出更稳定、更高效的膜结构。

在实验方法方面，研究团队采用了多种技术手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）等，以全面分析膜的微观结构和表面性质。这些技术的应用使得研究人员能够从多个角度了解膜的性能变化，从而为后续的优化提供依据。例如，通过XPS分析，可以确定膜表面的化学组成和电荷分布，进而评估其对离子和有机污染物的截留能力。而SEM和AFM则提供了膜微观结构的直观信息，有助于理解TA-Ti?C?T?纳米片如何影响聚酰胺层的形成和分布。

该研究的创新点在于其对MXene新层的系统设计和功能化处理。通过引入TA-Fe3?复合物，研究人员不仅提高了MXene的分散性和稳定性，还赋予其额外的电荷特性，使其在膜制备过程中能够更好地调控聚酰胺的生长。这种设计思路为未来的膜材料开发提供了新的方向，即通过调控新层的化学性质，来优化膜的整体性能。此外，该研究还展示了如何通过简单的物理沉积方法，实现新层的均匀分布，从而确保膜在不同区域具有一致的性能。

研究团队在作者贡献部分明确了每位研究人员的职责。Mengni Ge负责撰写原始稿件，Jianfeng Zhang负责撰写和编辑，并提供指导。Yanan Deng进行了数据分析和资料管理，Yao Du负责实验探究，Zhuofan Gao负责可视化和资源协调，Gaiye Li提供资源支持，Mu Liu负责可视化，Zhuo Huang负责实验探究，Weifeng Wan负责资源协调。这种分工体现了团队合作的重要性，也表明该研究是一个多学科协作的成果。

最后，研究团队声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响其研究结果。这表明研究的客观性和科学性得到了保障，所有实验数据和结论均基于严谨的科学方法。同时，他们也感谢了来自中央大学基础研究基金和常州市科技计划专项基金的支持，这为研究的顺利进行提供了重要的资金保障。这些支持不仅有助于实验材料的采购和设备的使用，还为研究人员提供了必要的研究条件和资源。

综上所述，这项研究通过引入一种新型的MXene新层，成功解决了传统纳米过滤膜在性能和耐久性方面的不足。TA-Ti?C?T?纳米片的引入不仅提升了膜的水通量和截留率，还显著增强了其抗污染能力，使其在高盐度和不同pH值的条件下仍能保持稳定运行。这些成果为纳米过滤膜的发展提供了新的思路，也为水处理技术的进步奠定了基础。未来的研究可以进一步探索其他类型的表面修饰材料，以实现更广泛的性能优化，同时推动该技术的工业化应用。