共价和非共价Mg-MOF–PANI/SPANI相互作用在改善PES超滤膜形态和抗污染性能中的作用

《Desalination》：Role of covalent and non-covalent Mg-MOF–PANI/SPANI interactions in enhancing PES ultrafiltration membrane morphology and antifouling performance

本研究开发了一种新型超滤膜，通过将镁基金属有机框架（Mg-MOF）和磺化聚苯胺（SPANI）复合填料嵌入聚醚砜（PES）基体中，有效解决了传统超滤膜渗透率与抗污性之间的矛盾。实验表明，5wt%复合填料的膜具有51%孔隙率和54°接触角，水通量提升60%至270L/m2·h，抗污性显著增强，纯水通量恢复率高达86%。协同效应源于MOFs的高孔隙性和SPANI的强亲水性，形成稳定水化层并优化孔道连通性。

　　本研究中，科学家们致力于开发一种新型的超滤（UF）膜，通过在聚醚砜（PES）基质中引入由镁基金属有机框架（Mg-MOFs）涂覆的聚苯胺（PANI）和磺化聚苯胺（SPANI）混合填料，以解决传统超滤膜在渗透性和抗污染性之间的矛盾。超滤技术因其操作简便、能耗低以及出色的分离能力，在水处理领域受到广泛关注。然而，膜污染问题仍然是制约其广泛应用的关键因素之一。通过在膜材料中引入功能性填料，可以有效改善膜的性能，使其在水处理过程中表现出更高的效率和更长的使用寿命。

PES作为一种常用的膜基质材料，因其优异的热稳定性、机械强度和化学耐受性而受到青睐。但其固有的疏水性导致在处理有机污染物和蛋白质时容易发生严重污染，从而降低水通量并增加清洗频率。为了解决这一问题，研究人员尝试将纳米结构填料嵌入PES基质中，以增强膜的亲水性和抗污染能力。其中，金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、可调节的孔结构和多功能性，成为一种极具潜力的材料。例如，UiO-66、ZIF-8和Mg-MOF等MOFs已被证实能够显著提高膜的亲水性和渗透性，从而改善其在水处理中的应用效果。

然而，尽管MOFs在膜材料中表现出良好的性能，但其在基质中的分散性问题以及潜在的释放风险仍然限制了其长期使用效果。因此，研究人员开始关注如何通过化学键合等方式增强MOFs与膜基质之间的界面相容性。共价键合被认为是一种有效的方法，它能够形成更稳定、更坚固的界面，从而减少填料的聚集和释放，提高膜的整体性能。多项研究表明，共价键合不仅有助于改善MOFs与聚合物或其他材料之间的结合强度，还能优化膜的结构-性能关系，使其在各种应用中表现出更优的特性。

与此同时，导电聚合物，尤其是聚苯胺（PANI），因其良好的加工性能、亲水性官能团以及与聚合物基质之间的良好界面相容性，也被广泛研究用于膜材料的改性。磺化聚苯胺（SPANI）通过引入磺酸基团，进一步增强了膜的亲水性和抗污染能力。将MOFs与导电聚合物结合，如PANI，被认为是一种极具前景的策略，因为它能够利用MOFs的高孔隙率和导电聚合物的导电性与亲水性，从而形成具有优异水通量、抗污染性和污染物选择性的复合膜材料。

在本研究中，科学家们首次引入了一种由Mg-MOF和SPANI组成的混合填料，用于制备PES基超滤膜。这种填料的独特设计使得膜材料在孔隙率、亲水性和抗污染性方面均得到显著提升。与以往仅使用MOF或导电聚合物填料的研究相比，本研究的混合填料设计不仅减少了传质阻力，还提高了水通量，同时保持了较高的污染物截留率。这种协同效应表明，通过合理设计填料的结构和组成，可以有效提升膜的性能，使其更加适用于先进的水处理应用。

为了评估这种混合填料对膜性能的影响，研究人员采用了多种分析方法。例如，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）等手段，验证了填料在膜基质中的成功整合和均匀分散。这些分析结果表明，混合填料能够改善膜的孔结构和界面相容性，从而提高其水通量和抗污染能力。此外，接触角测量结果显示，膜表面的润湿性得到了显著增强，表明填料的引入有效提高了膜的亲水性。这些结果进一步支持了填料在膜材料中所起的关键作用。

研究还特别关注了填料与PES基质之间的界面相互作用。通过密度泛函理论（DFT）模型分析，研究人员揭示了非共价和共价两种不同配置下填料与基质之间的相互作用机制。在非共价配置中，填料与基质之间的相互作用主要依赖于弱的范德华力，这可能导致填料在膜基质中分布不均，进而影响膜的整体性能。而在共价配置中，通过引入共价键合，填料与基质之间的相互作用更加紧密和稳定，从而减少了填料的聚集和释放，提高了膜的结构完整性和长期稳定性。

为了进一步验证这些理论分析，研究人员还进行了实验测试，以评估膜的性能。测试结果表明，添加5%（重量百分比）的Mg-MOF@SPANI填料后，膜的纯水通量显著提高，达到270 L/m2·h，比未改性的PES膜提高了超过60%。此外，膜对腐殖酸的截留率超过了95%，同时表现出优异的抗污染性能，其通量恢复率（FRR）超过了86%，且不可逆污染阻力显著降低。这些结果表明，混合填料不仅能够提高膜的渗透性，还能有效减少污染的发生，从而延长膜的使用寿命并降低运行成本。

除了性能提升，研究人员还关注了膜的结构稳定性。通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（FESEM）等技术，他们观察到填料的引入显著改善了膜的微观结构，使其具有更规则的孔隙分布和更高的孔隙率（最高可达51%）。这种结构的优化不仅有助于提高膜的水通量，还能增强其对污染物的截留能力。同时，研究还发现，混合填料的引入促进了稳定水合层的形成，这在提高膜的亲水性和抗污染性方面发挥了重要作用。

此外，研究人员还探讨了不同填料比例对膜性能的影响。他们发现，当填料添加量为5%时，膜的综合性能最佳，这表明填料的添加量需要在一定范围内进行优化，以达到最佳的性能平衡。过高的填料添加量可能会导致膜结构的破坏，而过低的添加量则可能无法显著提升膜的性能。因此，合理控制填料的添加比例是实现高性能膜材料的关键步骤之一。

在实际应用方面，这种新型的Mg-MOF@SPANI混合填料超滤膜具有广阔的前景。由于其在水处理中的优异表现，这种膜材料可以被广泛应用于饮用水净化、废水回用以及反渗透（RO）系统的预处理等场景。特别是在处理含有高浓度有机污染物的水体时，这种膜材料表现出显著的抗污染能力和高效的污染物截留性能，这使其成为一种极具潜力的水处理解决方案。

为了确保研究的可靠性，科学家们还进行了系统的实验验证。他们使用了多种分析方法，包括FTIR、FESEM、AFM和接触角测量，以全面评估膜的结构和性能。这些实验结果不仅证实了填料在膜基质中的成功整合，还揭示了填料对膜性能的具体影响。此外，研究人员还对膜的长期稳定性进行了测试，以评估其在实际应用中的适用性。测试结果表明，这种膜材料在长时间运行后仍能保持较高的水通量和污染物截留率，这进一步证明了其在实际水处理过程中的可行性。

研究的结论表明，将Mg-MOF@SPANI混合填料引入PES基超滤膜中，是一种实现高性能膜材料的有效策略。这种混合填料不仅能够显著提高膜的水通量，还能有效减少污染的发生，从而提高膜的使用寿命和运行效率。通过合理设计填料的结构和组成，研究人员成功开发出一种具有优异性能的新型超滤膜，为未来水处理技术的发展提供了新的思路和方向。

综上所述，这项研究为超滤膜材料的改进提供了重要的理论和实验依据。通过引入Mg-MOF@SPANI混合填料，研究人员不仅解决了传统超滤膜在渗透性和抗污染性之间的矛盾，还为开发更高效、更稳定的膜材料奠定了基础。这种新型膜材料的出现，有望推动水处理技术的进步，提高水处理效率，并降低运行成本，从而更好地满足现代社会对清洁水资源的需求。