氨基功能化MoS2纳米点复合薄膜用于高效氯/硫酸根分离的界面聚合新策略

针对工业废水中Cl-/SO42-分离难题，研究人员通过界面聚合（IP）技术将氨基化MoS2纳米点（NDs）嵌入薄膜纳米复合材料（TFN）膜，构建低摩擦水传输通道。该膜纯水渗透率达24.98 LMH/bar（提升2.5倍），Cl-/SO42-选择性达119.2，为高盐废水资源化处理提供新方案。

　　

研究背景

工业废水中的高盐分离是环境工程领域的重大挑战。盐矿、纺织、油田等行业排放的废水含有高浓度混合盐（如Cl^-/SO₄^2-），传统蒸发结晶法成本高昂且效率低下。尽管纳滤（NF）膜技术因其高效节能成为新选择，但Cl^-（水合半径3.32 ?）与SO₄^2-（3.79 ?）的相似尺寸导致分离选择性不足。界面聚合（IP）是制备NF膜的主流技术，但传统聚酰胺（PA）活性层的高密度结构限制了水通量。如何通过材料创新同时提升膜的渗透性和选择性，成为突破瓶颈的关键。

研究方法

研究团队采用"自下而上"法合成氨基功能化MoS₂纳米点（MoS₂-N NDs），通过调控半胱氨酸与(NH₄)₂MoS₄摩尔比（1:1至4:1）实现不同氨基化程度。将NDs加入哌嗪（PIP）水相溶液，与均苯三甲酰氯（TMC）在水解聚丙烯腈（HPAN）基底上进行IP反应，构建TFN膜。通过TEM、XPS、FT-IR表征材料特性，AFM和SEM分析膜形貌，并测试纯水渗透率（PWP）、盐截留率及长期稳定性。

研究结果

3.1 MoS₂ NDs表征
氨基化使MoS₂ NDs接触角从143.2°降至73.0°，XPS证实N元素成功引入（N/Mo原子比随半胱氨酸添加量增加）。FT-IR显示592 cm^-1处S-Mo特征峰及3000-3500 cm^-1氨基振动峰。

3.2 TFN膜特性
SEM显示MoS₂-N3(0.75)膜表面形成互联的"图灵结构"，粗糙度（Ra=45.1 nm）显著高于TFC膜（21.0 nm）。FT-IR检测到1560 cm^-1处NDs与TMC反应生成的仲酰胺N-H键。膜亲水性随氨基化程度提升，zeta电位负值增大。

3.3 分离性能

• MWCO与孔径：MoS₂-N3(0.75)膜平均孔径0.83 nm（TFC膜0.66 nm），孔径分布更窄。
• 渗透选择性：最优膜PWP达24.98 LMH/bar，Na₂SO₄截留率99.2%，NaCl截留率12.1%，Cl^-/SO₄^2-选择性119.2。四盐截留顺序为Na₂SO₄ > MgSO₄ > MgCl₂ > NaCl。
• 稳定性：14天连续运行中性能波动小于5%，抗污染实验显示通量恢复率（FRR）>70%。

结论与意义

该研究通过氨基化MoS₂ NDs的界面工程策略，成功构建了具有低流体阻力的水传输通道。MoS₂的滑移效应与氨基的协同作用使膜兼具高渗透性（2.5倍提升）和优异选择性，其性能超越文献报道的COF-TFN、TA-MoS₂等膜材料。研究为工业废水盐分资源化提供了新型膜材料设计范式，未来可通过扩展修饰基团（-OH、SO₃^2-等）进一步拓展应用场景。论文发表于《Green Chemical Engineering》，为绿色化工与膜技术交叉创新提供了重要案例。