单宁酸-铁离子复合涂层增强醋酸纤维素膜抗污染性能及其在微藻采收中的应用

针对微藻采收过程中膜污染严重、效率低下的问题，研究人员通过单宁酸(TA)-Fe3+复合物对醋酸纤维素(CA)膜进行层层自组装改性。结果表明单层涂层可实现98%通量恢复率(FRR)和400 L/m2·h的高通量，显著提升膜的抗污染性能和采收效率，为生物资源管理提供了可持续的膜技术解决方案。

　　

微藻作为"绿色细胞工厂"，在生物燃料、药物和营养品领域展现出巨大潜力。然而这个朝阳产业正面临采收环节的"卡脖子"难题——传统离心、絮凝等方法能耗高且效率低，而新兴的膜分离技术又饱受膜污染困扰。当微藻细胞及其分泌的细胞外有机物(EOM)在膜表面积累时，会形成致密的滤饼层，就像给膜"糊上一层泥"，不仅堵塞孔道还会改变流体动力学特性。这种污染使膜通量断崖式下降，维护成本飙升，严重制约着产业化进程。

针对这一挑战，印度尼西亚国家研究与创新局等机构的研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表创新成果。他们巧妙利用天然多酚单宁酸(TA)与Fe³⁺的配位作用，对环保材料醋酸纤维素(CA)膜进行表面工程改造。通过精确调控的层层自组装(LBL)技术，构建出具有梯度特性的抗污染涂层，在保证>99%细胞截留率的同时，将通量恢复率提升至近乎完美的98%，为微藻采收提供了"既高效又持久的绿色过滤器"。

研究采用相转化法制备CA基膜，通过LBL技术构建单层和多层TA/Fe³⁺涂层。利用FTIR、SEM、EDS进行表面表征，结合接触角测量评估亲水性。采用死端过滤系统测试微藻(Chlorella vulgaris)悬浮液的过滤性能，通过通量恢复率(FRR)、可逆污染率(RFR)等指标量化抗污染效果。

【Membrane Surface Characterization】
傅里叶变换红外光谱(FTIR)在1635 cm^-1处出现TA-Fe配位键特征峰，扫描电镜(SEM)显示单层涂层使表面粗糙度(Ra)从CA基膜的25.3 nm降至18.7 nm。能谱(EDS)检测到Fe元素均匀分布，证实TA/Fe³⁺复合物成功锚定。接触角从原始CA膜的65°锐减至38°，揭示涂层显著增强的亲水性。

【Antifouling Performance Evaluation】
单层改性膜展现出最佳综合性能：纯水通量达400 L/m²·h，较基膜提升23%；处理微藻悬浮液时，FRR高达98%，RFR低至12%。多层涂层虽将FRR进一步提高至99.5%，但通量下降40%，揭示"抗污染-通量"的权衡效应。静电排斥力测量显示，TA/Fe³⁺涂层使膜表面zeta电位从-18 mV变为-32 mV，有效抑制带负电EOM的吸附。

【Microalgae Harvesting Efficiency】
在连续72小时采收实验中，改性膜保持>99%的细胞截留率，浓缩后藻浆干重达15 g/L，较传统絮凝法节能47%。尤为关键的是，涂层有效缓解了滤饼层压缩现象——未改性膜在操作压力从0.5 bar升至1.5 bar时通量衰减78%，而改性膜仅下降29%。

这项研究通过仿生涂层设计，同时激活了亲水性增强、静电排斥和表面光滑度提升三重抗污染机制。单层TA/Fe³⁺涂层在通量与抗污染性间取得完美平衡，其98%的FRR指标刷新了CA膜的性能纪录。研究不仅为微藻产业提供了即插即用的膜解决方案，更开创了天然多酚-金属离子配位体系在分离膜领域的应用范式。未来通过优化Fe³⁺配位密度和TA分子量分布，有望进一步突破多层涂层的通量瓶颈。这种"以自然之道治污染之困"的策略，为生物资源可持续开发提供了教科书级的范例。