水相溶胶-凝胶法制备氧化锆基不对称疏松纳滤膜实现低压高效染料/盐分离

针对印染废水处理中染料与盐分难以高效分离的难题，研究人员通过优化ZrO2溶胶-凝胶参数，开发出具有151.1 nm均匀厚度和900 Da分子量截留（MWCO）的疏松纳滤（LNF）膜。该膜在2 bar低压下实现玫瑰红（97.4%）和亮绿（99.8%）染料的高截留率，同时保持NaCl盐分渗透率（<10%），通量恢复率高达95%，为资源回收型废水处理提供新策略。

　　

论文解读

纺织印染行业每年排放70万吨含染料和盐分的废水，传统生物降解因高盐环境效率低下，而高压纳滤（NF）膜又面临能耗高、膜污染等问题。氧化锆（ZrO₂）因其化学稳定性和亲水性成为理想候选材料，但现有技术存在颗粒团聚、跨膜压力高（16 bar）等瓶颈。韩国某研究团队在《Desalination》发表研究，通过水相溶胶-凝胶法开发出低压高效ZrO₂疏松纳滤（LNF）膜。

研究采用锆酰氯八水合物为前驱体，通过调控甘油（抑制晶粒生长）和草酸（稳定溶胶）浓度优化膜结构。关键实验包括X射线衍射（XRD）分析晶相转变、扫描电镜（SEM）观察表面形貌、分子量截留（MWCO）测试及跨膜压力2 bar下的染料/盐分离实验。

结构表征
XRD显示350℃处理的ZrO₂呈单斜相（PDF#00–037-1484），500℃时出现四方相（PDF#01–079-1771），而SEM证实聚乙烯醇（PVA）可消除表面缺陷。优化后的膜厚度为151.1 nm，纯水渗透性达3.82 LMH/bar。

单组分分离性能
膜表面等电点为pH 4.2。对阳离子染料亮绿（BG）截留率达99.8%，阴离子染料玫瑰红（RB）为97.4%，而NaCl截留率<10%。静电作用与分子筛效应共同主导分离机制。

多组分分离与稳定性
染料/盐混合体系中，膜通量恢复率（FRR）达95%，且连续运行120小时性能无衰减，优于传统聚醚砜（PES）膜。

结论与意义
该研究通过精确调控溶胶-凝胶参数，首次实现ZrO₂ LNF膜在低压（2 bar）下的高效染料/盐分离，突破传统高压操作限制。膜表面电荷调控与孔隙优化策略为工业废水资源化提供新思路，其优异的抗污染性和长期稳定性具有规模化应用潜力。研究获韩国贸易工业能源部（MOTIE）及国家研究基金会（NRF）支持。