聚季铵盐膜界面聚合技术实现磷石膏浸出液酸稳定超滤与磷资源高效回收

针对磷石膏浸出液极端酸性(pH<2.5)环境下传统聚酰胺纳滤膜稳定性差的问题，华中科技大学团队通过温度调控PMDTA与TBB界面聚合，开发出具有C-N+稳定结构的聚季铵盐膜。该膜在1.5 M H2SO4中稳定40天(MgCl2截留率>95%)，同步实现88.16%磷渗透率与97.17%二价离子截留，为酸性工业废水资源化提供突破性解决方案。

　　

磷石膏作为湿法磷酸工业的副产物，其堆存过程中产生的强酸性浸出液(pH<2.5)不仅含有高浓度磷酸根，还富含Mg²⁺、Ca²⁺等竞争性阳离子。传统聚酰胺纳滤膜因酰胺键易酸水解、表面负电荷导致阳离子截留率低，难以实现磷资源高效回收。这一矛盾构成了制约工业废水资源化的"酸稳定性-选择性-渗透性"三重困境。

华中科技大学环境科学与工程学院团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，创新性地采用温度调控界面聚合策略，使五甲基二乙烯三胺(PMDTA)与1,3,5-三(溴甲基)苯(TBB)在油水界面发生Menshutkin反应，2分钟内快速构建出30 nm超薄聚季铵盐选择层。该膜通过季铵基团提供强正电性(C-N⁺)，在保持471 Da分子量截留值的同时，展现出独特的"阳离子排斥-阴离子吸引"效应。

关键技术包括：(1)采用三种不同胺基数目的单体(TMEDA/PMDTA/HMTETA)调控交联密度；(2)通过升温(60°C)加速界面聚合动力学；(3)使用商业聚砜超滤膜(50 kDa)作为支撑基底；(4)通过截留分子量测试(MWCO)、Zeta电位和XPS表征膜性能；(5)采用真实磷石膏浸出液验证实际分离效果。

【Poly(quaternary ammonium) membranes with extremely strong positive charge】
研究发现PMDTA构建的膜具有最优性能，其表面电位达+48.6 mV，显著高于PEI-TMC聚酰胺膜(+25.3 mV)。动态光散射证实高温反应形成的聚集体尺寸更小(128 nm vs 室温的205 nm)，有利于形成无缺陷选择层。

【Acid stability evaluation】
在1.5 M H₂SO₄浸泡40天后，聚季铵盐膜MgCl₂截留率仍保持95.2%，而PEI-TMC膜下降至81.4%。XPS分析显示C-N⁺键含量无显著变化，证实其抗水解特性。

【Phosphogypsum leachate treatment】
处理实际浸出液时，膜对PO₄^3-的渗透率达88.16%，同时对Mg²⁺/Al³⁺截留率分别为97.17%和99.03%，分离因子(α_PO4/Mg)达35.7，是传统膜的4.8倍。

该研究通过分子设计破解了酸性环境下膜材料稳定性的瓶颈问题，其突破性体现在：(1)将界面聚合时间从数十小时缩短至2分钟；(2)创制出目前报道最薄的聚季铵盐选择层；(3)首次实现强酸介质中磷与多价金属离子的高效分离。研究成果为工业酸性废水资源化提供了兼具工程可行性与经济性的膜技术方案，对推动磷化工行业可持续发展具有重要实践意义。