基于MAF-6的纳滤膜的制备及其在染料/盐分离中的应用

《Desalination》：Fabrication of MAF-6-based nanofiltration membranes and their application in dye/salt separation

本研究通过快速溶液混合法合成MAF-6纳米粒子并集成至TFC膜聚酰胺层，显著提升膜水通量（达68.3 LMH/bar）并维持高染料/盐选择性（脱盐率>98%，染料截留率>99%），最佳负载量0.2 wt%下表面粗糙度提升至1.82 μm，长期稳定性验证超过100小时。

　　在当前水资源日益紧张的背景下，膜分离技术因其高效、节能、环保等优势，成为处理含染料废水的重要手段之一。其中，纳米过滤（NF）技术因其独特的孔径排阻机制和Donnan排阻效应，展现出在染料与盐分离领域的广阔前景。然而，传统薄膜复合（TFC）膜在染料/盐分离过程中面临一个关键问题：膜的渗透性和选择性之间的权衡。通常情况下，提高膜的渗透性会降低其对染料的截留能力，而增强选择性则可能导致渗透性下降，从而影响整体处理效率。为了解决这一问题，研究者们不断探索新的材料设计与改性方法，以期在不牺牲选择性的同时，提升膜的渗透性。

本研究聚焦于一种新型纳米材料——MAF-6纳米颗粒的引入，探索其在NF膜中的应用潜力。MAF-6是一种具有特殊结构和性能的金属有机框架（MOF）材料，其合成过程相对简便，且具备高疏水性、大孔径和均匀的孔结构等特性。这些特性使其在油水分离、有机液体选择性分离等领域已有广泛应用。然而，在NF膜的应用中，MAF-6的潜力尚未被充分挖掘。本研究通过将MAF-6纳米颗粒引入聚酰胺（PA）层，构建了新型的薄膜纳米复合（TFN）膜，并对其性能进行了系统评估。

研究发现，MAF-6纳米颗粒的引入显著提升了TFN膜的渗透性，同时保持了较高的染料截留率。具体而言，当MAF-6的负载量为0.1%和0.2%时，膜的渗透性和分离效率均表现出优异的性能。这一现象主要归因于MAF-6纳米颗粒对PA层结构的优化作用。首先，MAF-6的疏水特性减少了PA层的交联程度，从而增加了膜的孔隙率和水流通道。其次，其疏水性有助于提高膜的亲水性，这在一定程度上增强了膜对水分子的吸附能力，提高了水的渗透速率。此外，MAF-6的引入还增加了膜表面的粗糙度，这为水分子的扩散提供了更多的路径，进一步提升了膜的渗透性。

除了渗透性的提升，MAF-6纳米颗粒对膜的选择性也有积极影响。膜的选择性主要依赖于其孔径大小和表面电荷分布。MAF-6的疏水性使得其在膜表面形成了一种特殊的结构，有助于排斥盐离子，同时允许染料分子通过。这种特性使得MAF-6在染料/盐分离过程中展现出独特的性能。研究还发现，MAF-6的引入在一定程度上改变了界面聚合（IP）过程中的分子扩散行为，从而影响了膜的表面形貌和结构。这表明，MAF-6不仅能够作为物理填料改善膜的性能，还可能通过其化学特性与IP过程中的反应物发生相互作用，从而优化膜的形成过程。

在长期稳定性测试中，MAF-6纳米颗粒修饰的膜表现出良好的耐久性。经过100小时的连续运行，膜的性能未发生明显下降，这表明其在实际应用中具有较高的可靠性。此外，研究还通过多种表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和接触角测试等，对膜的表面形貌、化学组成和润湿性进行了详细分析。结果表明，MAF-6的引入不仅改变了膜的物理结构，还对其化学性质产生了积极影响。例如，膜表面的电荷分布变得更加负，这有助于提高对带正电荷染料分子的排斥能力，从而增强膜的选择性。

在实际应用中，染料废水的处理往往面临复杂性和多样性的挑战。传统的膜分离技术在处理高浓度、多组分的染料废水时，容易受到膜污染和选择性下降的影响。而MAF-6纳米颗粒的引入为解决这些问题提供了新的思路。一方面，其疏水性可以有效减少膜表面的污染，提高膜的抗污染能力；另一方面，其独特的孔结构和表面特性使得膜能够更高效地分离染料与盐，从而提高处理效率和资源回收率。这些特性使得MAF-6在处理复杂染料废水方面展现出广阔的应用前景。

从材料科学的角度来看，MAF-6的引入不仅拓展了MOF材料在膜分离领域的应用范围，还为设计高性能膜提供了新的思路。传统MOF材料多用于提高膜的水渗透性，而MAF-6的疏水特性则使其在染料/盐分离中具有独特的优势。这表明，通过合理选择和设计MOF材料的性质，可以实现对膜性能的精准调控。此外，研究还揭示了MAF-6在IP过程中的作用机制，为后续的膜材料设计和优化提供了理论依据。

综上所述，本研究通过将MAF-6纳米颗粒引入TFC膜的PA层，成功制备出一种具有优异渗透性和选择性的TFN膜。该膜在染料/盐分离过程中表现出良好的性能，且具有较高的长期稳定性。这些结果不仅为含染料废水的处理提供了新的技术方案，也为MOF材料在膜分离领域的应用开辟了新的方向。未来的研究可以进一步探索MAF-6与其他材料的复合可能性，以及其在不同废水处理条件下的适应性，以期在更广泛的领域中实现其应用价值。