铜离子(Cu+)络合聚芳酯(PAR)超滤膜的构建及其高效染料截留性能研究

为解决传统超滤膜(UF)在染料分离中截留率与渗透性难以协同提升的问题，四川大学研究团队开发了一种新型含双喹啉酸单元(BCA)的聚芳酯(PAR)膜，通过Cu+络合交联技术实现膜孔精准调控。该膜对甲基蓝(MB)、刚果红(CR)和伊文思蓝(EB)的截留率分别提升至93%、99.99%和99.99%，且水通量保持稳定，为金属离子络合改性膜技术提供了新范式。

　　

随着工业发展导致的水污染加剧，膜分离技术因其高效环保特性成为研究热点。然而传统超滤膜面临截留效率与渗透性的"trade-off"效应：化学交联法虽能缩小膜孔提升截留率，却显著降低通量；材料共混又存在界面稳定性差等问题。针对这一瓶颈，四川大学张刚团队创新性地将金属离子络合交联策略引入聚芳酯(PAR)膜改性领域。

研究团队通过共聚双喹啉酸(BCA)与对苯二甲酰氯(TPC)/间苯二甲酰氯(IPC)，构建了可络合Cu⁺的功能化PAR树脂。采用非溶剂致相分离(NIPs)法制备超滤膜后，通过Cu⁺溶液处理形成金属交联结构。XPS和EDS证实了Cu⁺与喹啉环氮原子的配位作用，高斯计算和IGMH可视化进一步揭示了配位机制。

关键实验技术包括：1) 含BCA单元的PAR合成与表征；2) NIPs法制膜及Cu⁺梯度时间处理；3) XPS/EDS分析金属配位结构；4) 分子模拟与可视化计算；5) 染料截留性能测试体系。

化学结构表征
FT-IR显示BCC单体在1750 cm^-1出现C=O特征峰，¹H NMR证实其结构纯度。PAR树脂中BCA单元占比通过投料比精确控制，为后续Cu⁺络合提供可调位点。

膜性能调控机制
5分钟Cu⁺处理使膜平均孔径从12.3 nm缩小至8.7 nm，表面zeta电位从-18 mV升至-5 mV。分子动力学模拟显示Cu⁺与双喹啉单元的配位键能达-42.6 kcal/mol，形成稳定的"锁孔"结构。

分离性能突破
优化后的膜对300 mg/L染料溶液的截留率呈现阶梯式提升：MB从75%→93%，CR从91%→99.99%，EB从83%→99.99%。尤为重要的是，水通量仅下降9%，突破了传统交联法通量损失>30%的限制。

长期稳定性验证
连续运行120小时后，膜对CR截留率仍保持99.2%，Cu⁺溶出量<0.08 ppm，证实配位结构的化学稳定性。AFM显示膜表面粗糙度(Ra)维持在23±2 nm，未出现交联层剥落。

该研究通过金属配位工程实现了膜孔尺寸的分子级精准调控，建立了"快速络合-温和交联-性能协同"的新型膜改性范式。相较于传统化学交联法，Cu⁺络合技术具有三大优势：(1) 室温操作避免热致结构破坏；(2) 5分钟完成交联大幅提升效率；(3) 形成动态可逆配位键缓解渗透压冲击。论文发表于《Separation and Purification Technology》，为开发下一代智能响应分离膜提供了理论和技术支撑。