原位聚合聚吡咯"三明治"结构正电荷纳滤膜实现高效二价阳离子分离

为解决传统负电荷纳滤膜(NF)对Mg2+ /Ca2+ 分离效率低的问题，天津科研团队创新性地采用Fe3+ 催化原位聚合技术，构建了具有PES/PA-PEI/PPy三明治结构的正电荷NF膜。该膜在保持9.9 L·m-2 ·h-1 ·bar-1 高水通量下，对Mg2+ /Ca2+ 截留率达98.6%/94.7%，并展现92.6%的通量恢复率和强酸稳定性，为水处理与资源回收提供了突破性解决方案。

　　

随着全球水资源危机加剧，高效分离二价阳离子(Mg²⁺
/Ca²⁺
)成为水处理领域的核心挑战。传统负电荷纳滤膜因Donnan排斥效应不足导致分离效率低下，而现有正电荷膜又面临通量-选择性难以兼顾、酸性环境下稳定性差等瓶颈。更棘手的是，电镀废水等工业场景中的强酸条件会加速膜材料降解，这促使科学家们寻求兼具高分离性能与环境耐受性的新型膜材料。

河北工业大学联合团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，提出了一种革命性的Fe³⁺
催化原位聚合策略。通过将聚吡咯(PPy)精准沉积在PEI修饰的聚酰胺(PA)层上，构建出具有PES支撑层/PA-PEI中间层/PPy保护层的三明治结构纳滤膜。这种独特设计使膜表面zeta电位达+36.5 mV，孔径精确控制在0.67 nm，最终实现了98.6%的Mg²⁺
截留率与9.9 L·m^-2
·h^-1
·bar^-1
通量的完美平衡，且在pH=2条件下运行120小时性能衰减不足5%。

关键技术包括：1) 采用PEI二次修饰消除残余酰氯基团；2) Fe³⁺
螯合诱导吡咯单体原位聚合；3) 通过SEM/AFM/XPS表征膜结构；4) 建立BSA污染模型评估抗污性能；5) 采用死端过滤系统测试分离性能。

【Morphological Evolution and Structural Confirmation】
SEM显示原始PES膜表面光滑，经界面聚合后形成典型"脊-谷"结构。PEI修饰使表面胺基密度增加3.2倍，PPy沉积后形成均匀纳米颗粒层。AFM证实PPy_2.0
膜粗糙度(Ra)降至8.6 nm，有利于抗污染。

【Anti-fouling Performance Evaluation】
在2000 ppm MgSO₄
+500 ppm BSA污染实验中，膜通量恢复率达92.6%，接触角降至42.3°，归因于PPy层的超亲水性和表面电荷排斥效应。

【Conclusions】
该研究通过分子层面设计解决了正电荷NF膜三大难题：1) PEI修饰增强电荷密度；2) PPy刚性骨架提升机械强度；3) 酸性聚合环境兼容工业需求。膜对Ni²⁺
/Cu²⁺
的截留率也超过90%，为重金属废水处理开辟新途径。

这项突破性工作不仅建立了"电荷密度-孔径-稳定性"的协同调控新范式，其简易的规模化制备工艺更推动NF膜从实验室走向实际应用。特别是在锂提取、稀土回收等战略资源领域，这种耐酸型正电荷膜展现出巨大产业化潜力，有望成为实现"双碳"目标的关键技术支撑。