双金属Fe2 O3 -Mn2 O3 纳米颗粒改性聚酰胺纳滤膜的创新构建及其在抗生素废水高效处理中的应用

为解决高浓度抗生素废水处理难题，研究人员通过将双金属Fe2 O3 -Mn2 O3 纳米颗粒嵌入聚酰胺选择层，开发出新型薄层纳米复合（TFN）纳滤膜。该膜展现出优异的水渗透性（10.5 L m?2 h?1 bar?1 ）和Na2 SO4 截留率（97.1%），对三种分子量相近但构型与电荷不同的抗生素（四环素、克林霉素磷酸酯、妥布霉素）截留率达87.0%-97.1%，揭示了分子构象与电荷排斥效应对分离性能的关键影响，为抗生素废水膜处理技术提供新策略。

　　

抗生素废水处理是环境工程领域的重大挑战。随着全球抗生素产量激增，传统生化处理技术因抗生素对微生物的毒性而效率低下，亟需开发绿色高效的新型处理方法。膜分离技术因其无添加、低能耗的特点成为研究热点，其中纳滤（NF）膜对200-1000 Da分子量范围的有机物表现出卓越截留性能。然而，现有聚酰胺纳滤膜对抗生素的分离机制尚不明确，尤其对分子量相近但结构各异的抗生素差异截留现象缺乏合理解释。针对这一科学问题，浙江理工大学的研究团队创新性地将双金属Fe₂
O₃
-Mn₂
O₃
纳米颗粒引入界面聚合过程，构建了高性能薄层纳米复合纳滤膜，相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

研究团队采用共沉淀法制备Fe₂
O_{O3
-Mn2
O3
纳米颗粒，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）确认其晶体结构与形貌；以哌嗪（PIP）和均苯三甲酰氯（TMC）为单体，将纳米颗粒作为水相添加剂参与界面聚合反应制备TFN膜；采用死端过滤系统评估膜性能，选取分子量相近（427-467 Da）但电荷与构象不同的三种抗生素（四环素、克林霉素磷酸酯、妥布霉素）作为模型污染物。}

Fe₂
O₃
-Mn₂
O₃
NPs表征
SEM显示纳米颗粒呈粒径约100 nm的颗粒状，XRD证实其由α-Mn₂
O₃
和α-Fe₂
O₃
两相组成。傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测到Mn-O和Fe-O特征峰，Zeta电位表明其在pH>4时带负电。

膜性能评估
改性膜水通量达10.5 L m^?2
h^?1
bar^?1
，Na₂
SO₄
截留率97.1%。抗生素截留实验显示：刚性平面结构的四环素截留率最高（97.1%），柔性带负电的克林霉素磷酸酯（95.0%）优于带正电的妥布霉素（87.0%），证实分子构象刚性和电荷排斥效应的协同作用。

结论与意义
该研究首次阐明分子构象与电荷特性对抗生素截留率的影响机制：刚性结构分子更易被空间位阻截留，负电荷抗生素通过Donnan效应增强分离。双金属纳米颗粒的引入不仅提升膜亲水性，还通过调控界面聚合形成更薄且疏松的聚酰胺层。这一成果为设计高选择性纳滤膜提供了理论依据，推动抗生素废水处理技术的实际应用。研究获浙江省"领雁"研发攻关计划（2025C02226）和浙江省自然科学基金（LY22E080002）支持。