废塑料再生聚苯乙烯膜优化制备及其在高效废水处理中的应用研究

为解决全球塑料污染和水资源短缺问题，研究人员通过响应面法(RSM)优化废聚苯乙烯(PS)膜制备工艺，探究溶剂类型、PS浓度和TiO2 负载量对膜性能的影响。最优膜在16.31 wt% PS和0.10 g/L TiO2 条件下实现166.55 L/m2 h通量和84%腐殖酸(HA)截留率，证实RSM可作为膜优化的有效统计工具，为废塑料资源化与可持续水处理提供新思路。

　　

随着全球塑料年产量突破3亿吨而回收率不足9%，塑料污染已成为严峻的环境挑战。与此同时，联合国数据显示约21亿人缺乏安全饮用水，传统水处理技术面临能耗高、成本高等瓶颈。这两大看似独立的危机，在材料科学领域找到了交汇点——将废塑料转化为水处理膜材料。聚苯乙烯(PS)因其易加工、低毒性成为理想候选，但现有研究多停留在可行性验证阶段，缺乏对膜性能的系统优化和污染机制的深入解析。

针对这一研究空白，国内研究人员在《Next Sustainability》发表论文，通过创新性地整合废塑料再生与膜技术，开发出高性能PS基超滤膜。研究采用非溶剂致相分离(NIPS)法制膜，结合响应面法(RSM)优化关键参数，并运用死端过滤系统评估性能。通过场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)和接触角测量等多维表征手段，揭示了材料结构与性能的构效关系，最后采用Hermia模型解析污染机制。

3.1 膜通量与截留率
研究发现NMP溶剂制备的膜具有最大孔径(3.50 nm)和最高通量(188.81 L/m²
h)，因其与非溶剂浴的高相容性促进了PS链重排。PS浓度从16 wt%增至18 wt%时，膜孔径由2.49 nm减至2.11 nm，通量下降42%，这归因于高粘度限制聚合物链移动性。添加0.1 g/L TiO₂
使通量提升106%，接触角从67.61°降至57.11°，证实纳米颗粒增强了膜亲水性。

3.1.1 统计模型验证
RSM建立的二阶交互模型显示，溶剂类型(C)对通量影响最显著(F值=930.18)，而B²
C项对截留率影响最大(p<0.0015)。验证实验显示预测误差仅5.04%(通量)和0.69%(截留率)，证实模型可靠性。

3.2 膜污染行为
优化膜在120分钟过滤后出现20.74%通量衰减，AFM显示TiO₂
浓度增至0.12 g/L时表面粗糙度(Rq)从5.9 nm升至54.2 nm。物理清洗仅恢复18.6%通量，表明HA在膜表面形成了顽固污染层。

3.3 污染机制
Hermia模型拟合表明蛋糕过滤模型(R²
=0.9902)最符合实验数据，这源于HA聚集体(100-500 nm)与膜孔径(1.96-3.50 nm)的尺寸差异，导致污染物在膜表面堆积形成致密滤饼层。

该研究实现了废塑料的高值化利用，将电子设备包装泡沫转化为高效水处理膜，其最优性能媲美商业膜产品。通过RSM建立的量化模型为膜材料设计提供新范式，而TiO₂
的精准调控策略为缓解膜污染提供理论依据。更重要的是，这项工作开创了"以废治污"的可持续技术路径，每平方米膜可消耗约163克废PS，兼具环境效益与经济效益。未来研究可探索其他废塑料(如PET、PP)的膜转化潜力，并开发针对滤饼污染的高效清洗工艺，推动该技术走向工业化应用。