金属-酚醛网络纳滤膜离子选择性研究：反离子作用机制与DSPM-DE模型预测

研究人员针对传统聚酰胺（PA）TFC膜环境毒性高、氯耐受性差的问题，开发了基于单宁酸-铁离子（TA-Fe3+ ）配位的金属-酚醛网络（MPN）纳滤膜。通过层状自组装技术构建选择性分离层，结合DSPM-DE模型首次系统解析了MPN膜对Na2 SO4 （99%截留率）等单/混合盐体系的分离机制，为绿色膜材料设计提供新范式。

　　

随着全球水资源危机加剧，纳滤（NF）技术因其低能耗、高效率的特点成为水处理领域的研究热点。传统聚酰胺（PA）薄层复合（TFC）膜虽性能优异，但制备过程依赖有毒有机溶剂且氯稳定性差，严重制约其可持续发展。金属-酚醛网络（MPN）材料凭借水相制备、结构可调等优势崭露头角，然而其离子分离机制在复杂体系中的表现始终是未解之谜。

德国亥姆霍兹Hereon中心的研究团队通过层状自组装（LBL）技术构建了单宁酸-三价铁（TA-Fe³⁺
）选择性分离层，系统研究了MPN膜对NaCl、Na₂
SO₄
等单/混合盐体系的截留性能。创新性引入Donnan立体孔道-介电排斥（DSPM-DE）模型，首次揭示了介电排斥与Donnan效应在离子传输中的协同作用机制。相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。

关键技术包括：1）LBL可控组装TA-Fe³⁺
选择性层；2）扫描电镜表征膜形貌；3）采用DSPM-DE模型预测多元离子截留行为；4）基于聚乙二醇（PEG）的截留分子量测试；5）混合盐体系分离选择性分析。

【SEM和水通量分析】
电镜显示TA-Fe³⁺
涂层使聚丙烯腈（PAN）超滤基膜表面孔隙率显著降低（图1b-e），Fe³⁺
浓度增加导致结构更致密。水通量测试证实该结构变化使膜通量从基底的542 L/m²
h·bar降至修饰后的10-25 L/m²
h·bar。

【单盐截留性能】
TA-Fe³⁺
膜对二价离子展现优异截留：Na₂
SO₄
（99%）>MgSO₄
（96%）>NaCl（92%）>MgCl₂
（81%），表明膜表面负电荷特性导致SO₄
^2-
的Donnan排斥更强。

【混合盐选择性】
在Na₂
SO₄
/NaCl/MgCl₂
三元体系中，SO₄
^2-
截留率高达98%，而Cl^-
呈现负截留现象，证实介电排斥对离子分选的关键作用。

【DSPM-DE模型预测】
通过拟合膜参数（孔径1.2 nm、电荷密度-15 mC/m²
），模型成功预测三元/四元离子混合体系的截留行为，揭示介电常数差异（溶液78.5 vs膜孔隙60）是驱动离子分选的核心因素。

该研究开创性地将DSPM-DE模型应用于MPN膜体系，证实TA-Fe³⁺
膜可通过调控金属配位浓度实现孔径与电荷密度的精确调控。相比传统PA膜，MPN膜的水相制备工艺更具环境友好性，其优异的二价离子选择性在海水淡化、工业废水处理领域展现出巨大潜力。Hluf Hailu Kinfu等的工作为绿色膜材料的理性设计提供了全新理论框架与技术路径。