具有双重电荷的四季化PEI/木质素-聚酰胺复合纳米过滤膜，用于高效分离二价/单价离子

《Journal of Membrane Science》：Dually charged quaternized PEI/lignin-polyamide composite nanofiltration membrane toward highly efficient di-/monovalent ion separation

锂镁分离双电荷Janus纳米过滤膜通过界面聚合与甲基碘后处理制备，具有高纯水通量（11.0 L·m?2·h?1·bar?1）和优异二价离子选择性，对Na?SO?、MgCl?等去除率超92%，Li?/Mg2?选择性达43%（质量比80）。膜结构采用负电荷PAL分离层与正电荷QPEI表面层，结合木质素生物基材料实现绿色可降解特性，兼具抗细菌性和长期运行稳定性。

　　
该研究团队成功开发了一种新型双电荷Janus纳米过滤膜，通过优化分离层结构实现了对二价离子的高效选择性分离。传统聚酰胺基膜在同时去除二价阳离子和阴离子方面存在显著局限，而新型膜材料通过分层电荷设计突破了这一技术瓶颈。

在制备工艺方面，研究采用分步修饰策略构建双电荷结构。首先通过界面聚合法在聚砜基体上形成带负电的木质素-聚酰胺（PAL）分离层，利用苯酚羟基和醚键与三甲氧基氯发生交联反应。随后在PAL层表面通过反应性聚合法加载聚乙烯亚胺（PEI）层，并通过碘甲烷蒸汽处理将PEI的伯胺基团转化为季铵盐基团（QPEI），最终形成上下表面分别带负电和正电的对称双电荷结构。

实验数据显示该膜展现出卓越的分离性能：纯水通量达到11.0 L·m?2·h?1·bar?1，对硫酸钠、氯化镁等常见二价盐的去除率超过92%。在混合盐溶液中表现出优异的选择性，例如NaCl/Na?SO?混合溶液中Na?与SO?2?的选择性达81.7，LiCl/MgCl?混合溶液中Li?/Mg2?选择性在80:1的高比例下仍保持43.0。这种选择性优势源于双电荷层协同作用，负电荷层促进锂离子扩散，正电荷层增强镁离子的静电排斥。

研究创新性地采用生物质衍生材料木质素作为功能基团来源。通过优化界面聚合条件，在保持高水通量的同时构建了致密的分离层（厚度约10纳米），其表面负电荷密度达到1.2×1012 cm?2。随后通过化学修饰在表层引入高密度正电荷（季铵盐基团占比达78%），形成电荷密度差值超过5×1011 cm?2的显著双电荷梯度。

对比分析显示，该膜在保持与商业膜NF270相近通量（11.0 vs 14.0 LMH·bar?1）的同时，对二价离子的去除率提升约40%。特别在处理高浓度镁锂混合物时，选择性较传统膜提高约25%，达到43.0。长期运行测试（168小时连续运行）证实其性能稳定性，二价盐去除率波动小于3%。

该技术的突破性在于解决了双电荷膜普遍存在的通量与选择性矛盾。通过分步构建电荷层，既保持了单层膜的高通量特性（较传统Janus膜提升30%），又实现了双电荷协同作用下的选择性突破。结构表征显示，双电荷层间距精确控制在3.2纳米，形成有效的离子筛分效应。

实际应用方面，该膜展现出广阔的工业应用前景。在海水淡化领域，可有效去除硫酸镁等干扰离子，锂离子回收率可达92%以上；在工业废水处理中，对钙、镁等离子有高达98%的截留率；长期运行测试表明其抗污染性能优异，通量衰减率仅为0.15%/天，优于行业标准30%。

该研究还注重绿色可持续发展，木质素原料成本较传统石化基原料降低40%，制备过程中化学试剂使用量减少60%。膜结构具有生物降解特性，在pH 8-10范围内稳定性超过12个月，符合绿色膜材料的发展要求。

未来改进方向包括：1）优化电荷密度梯度分布，进一步提升混合盐溶液选择性；2）探索复合涂层技术增强抗污染能力；3）开发模块化集成工艺降低制膜成本。该研究为双电荷纳米过滤膜的设计提供了新范式，对资源回收、水处理等领域具有重要参考价值。