精准调控聚酰胺纳滤膜表面电荷密度，高效分离新兴微污染物

在水处理中，新兴微污染物（EMPs）危害大且传统纳滤（NF）膜去除受限。研究人员制备 5 种表面电荷不同的 NF 膜，发现改性膜对 EMPs 和盐的截留率及选择性提升。该研究为 NF 膜去除新兴污染物提供见解，助力优化膜性能。

　　在当今的环境中，水环境污染问题日益严峻，新兴微污染物（EMPs）的出现更是雪上加霜。这些微污染物广泛存在于生活污水、医院废水、海水以及地下水中，哪怕是极低的浓度，如百万分比浓度（ppm）或十亿分比浓度（ppb），都能对生态系统造成严重危害。目前，去除废水中新兴微污染物的方法多种多样，像吸附、光解、化学氧化、生物降解和膜分离等。其中，纳滤（NF）技术凭借能在较低操作压力下高效截留数百分子量的有机物质，在水处理领域备受青睐。

然而，传统的薄膜复合（TFC）纳滤膜在去除低分子新兴微污染物时却困难重重。这是因为即使是相同分子量的分子，由于几何形状、分子极性和疏水性等差异，纳滤膜对它们的截留效率也各不相同。而且，聚酰胺（PA）活性层本身自由体积分布较宽，导致膜的渗透性和选择性之间存在难以平衡的矛盾。另外，在评估膜性能的研究中，活性层表面电荷密度对纳滤膜性能的影响常常被忽视，这严重阻碍了人们对带电荷活性层的全面理解，也限制了膜性能的进一步提升。

为了解决这些棘手的问题，来自厦门大学的研究人员开展了一项意义重大的研究。他们成功制备出五种具有不同表面电荷的纳滤膜，分别是 NF - PEI₁、NF - PEI₂、原始 NF、NF - SA 和 NF - PSS，其电荷强度从正到中性再到负连续变化。研究发现，添加聚电解质后，膜的孔径略有减小，但水通量却有所增加。带正电荷和负电荷的改性膜对多种新兴微污染物和盐的截留率显著提高，分别从 66% 提升到 85%、5 - 17% 提升到 75 - 97%、7 - 44% 提升到更高水平，并且随着膜表面电荷强度的增加，截留率还在不断改善。同时，带电荷的新兴微污染物和盐的选择性也大幅提升，从纳滤膜的 5 - 11 提升到 NF - PEI₁和 NF - PSS 膜的 12 - 32，而中性新兴微污染物和盐的选择性则保持不变。这充分证明了 Donnan 相互作用在提高新兴微污染物截留率和新兴微污染物 / 盐选择性方面的关键作用。这些带电荷的纳滤膜在纺织废水处理、抗生素纯化和养殖海水处理等领域展现出巨大的应用潜力。该研究成果发表在《Desalination》上，为定制聚酰胺基纳滤膜用于水处理提供了宝贵的理论依据，揭示了通过合理调整活性层电荷密度来优化膜性能的重要机制。

研究人员开展研究时，主要采用了以下关键技术方法：首先是界面聚合技术，在预处理的尼龙膜上，将阳离子聚电解质（如 PEI₁、PEI₂）或阴离子聚电解质（如 SA、PSS）溶解在哌嗪（PIP）水溶液中，与均苯三甲酰氯（TMC）的正己烷溶液进行界面聚合，从而制备出不同表面电荷的纳滤膜；其次是对制备好的膜进行表面化学等多方面的表征，以分析膜的性能变化。

研究结果

1. 膜的制备与表征：通过在界面聚合过程中将聚电解质引入活性层，成功合成并表征了 NF - PEI₁、NF - PEI₂、原始 NF、NF - SA 和 NF - PSS 这五种具有不同表面电荷性质的膜。
2. 膜性能变化：研究发现，添加聚电解质会使膜的孔径略有减小，同时水通量增加。这表明聚电解质的引入改变了膜的微观结构，对膜的传质性能产生了影响。
3. 截留率和选择性提升：带正电荷和负电荷的改性膜对多种新兴微污染物和盐的截留率显著提高，且随着膜表面电荷强度的增加，截留率进一步提升。同时，带电荷的新兴微污染物和盐的选择性大幅改善，而中性新兴微污染物和盐的选择性不变。这一结果充分证实了 Donnan 相互作用在膜分离过程中的重要作用，为解释膜的分离机制提供了关键依据。

研究结论和讨论

该研究成功制备出电荷密度连续变化的聚酰胺纳滤膜，实现了对新兴污染物和盐的可控截留以及对新兴微污染物 / 盐的选择性分离。研究表明，表面电荷密度的变化对膜的分离性能有着至关重要的影响，Donnan 效应和尺寸排阻的协同作用是高效处理新兴污染物的关键。这一研究成果不仅为深入理解带电荷活性层纳滤膜的分离机制提供了新视角，还为优化纳滤膜性能、开发更高效的水处理技术奠定了坚实基础，在实际水处理工程中具有重要的应用指导意义，有望推动相关领域的进一步发展。