高渗透性G-POSS/聚酰胺纳米过滤膜的液-固界面聚合法构建及其染料脱盐应用

针对薄层复合(TFC)膜水渗透性与溶质截留率难以协同提升的难题，北京联合大学团队通过液-固界面聚合(IP)技术，将糖基化笼型聚倍半硅氧烷(G-POSS)引入聚酰胺(PA)选择层。采用四氢呋喃(THF)/正己烷双有机相体系，利用THF挥发形成固相界面，构建出具有超薄选择层(139.4 L·m-2 ·h-1 ·bar-1 渗透性)的纳米滤膜，实现对台盼蓝(TB, 961 Da)99.3%截留率与NaCl 2.0%的低截留，为染料/盐分高效分离提供新策略。

　　

在工业废水处理领域，如何实现染料分子与无机盐的高效分离一直是膜技术研究的核心挑战。传统薄层复合(TFC)纳滤膜普遍面临"渗透性-选择性"的权衡效应——提升水通量往往伴随溶质截留率下降，这主要源于聚酰胺(PA)选择层的多尺度异质性、纳米粒子团聚及界面相容性差等问题。尤其对于分子量500-2000 Da的染料废水，现有膜材料难以兼顾高渗透性与染料/盐分的选择性分离，严重制约了纺织、印染等行业的可持续发展。

北京联合大学的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，创新性地提出"液-固界面聚合"策略。通过将糖基化笼型聚倍半硅氧烷(G-POSS)纳米粒子与磺胺(SA)单体共溶于四氢呋喃(THF)，利用THF快速挥发特性在支撑膜表面形成固态反应界面，再与正己烷相的三酰氯(TMC)发生受限聚合反应，成功制备出具有超薄选择层的G-POSS/PA复合膜。分子动力学(MD)模拟揭示，G-POSS与SA单体间的强相互作用可延缓单体扩散，形成更薄且孔径更大的疏松结构。该膜展现出139.4 L·m^-2
·h^-1
·bar^-1
的破纪录水渗透性，对台盼蓝(TB)的截留率高达99.3%，而对NaCl的截留率仅为2.0%，完美实现了染料与盐分的精准筛分。

研究团队主要采用三大关键技术：1) 液-固界面聚合工艺，通过THF溶剂挥发调控反应区物理状态；2) G-POSS纳米粒子原位掺杂技术，利用其纳米尺寸效应构建水传输通道；3) 分子动力学模拟，定量解析G-POSS对单体扩散动力学的调控机制。

化学特性分析
FTIR和XPS表征证实PA层的成功构建，特征峰显示G-POSS的引入增加了膜表面负电性(ζ电位-36.7 mV)和亲水性(接触角41.3°)。XPS定量分析表明0.1GPPA膜的O/N原子比(2.31)显著低于纯PA膜(2.89)，证明G-POSS抑制了PA交联度。

形态结构表征
AFM显示G-POSS使膜表面粗糙度(Ra)从纯PA的12.6 nm提升至25.8 nm。TEM证实选择层厚度从约150 nm减至80 nm，且呈现典型的"叶状-谷状"分级结构。正电子湮灭寿命谱(PALS)测得0.1GPPA膜自由体积孔径达0.48 nm，比纯PA膜扩大26%。

分离性能测试
在4 bar操作压力下，最优膜(0.1GPPA)对刚果红(CR)、茜素红(AR)等染料的截留率均>98%，而Na⁺
、Cl^-
截留率<5%。连续运行120小时后通量衰减率仅8.3%，显著优于传统IP法制备的膜材料。

这项研究通过分子设计(SA单体)、工艺创新(液-固IP)和材料复合(G-POSS掺杂)的三重协同，突破了传统TFC膜的性能瓶颈。其科学价值在于：1) 提出THF挥发诱导的固相界面反应新机制；2) 阐明纳米粒子调控单体扩散的动力学原理；3) 开发出可规模化制备的高性能LNF膜。该技术为工业废水零排放处理提供了膜材料新选择，尤其适用于纺织印染行业高盐染料废水的资源化回收。研究揭示的"纳米粒子-溶剂-单体"多参数协同调控策略，对发展下一代智能分离膜具有重要指导意义。