N-氨乙基哌嗪丙磺酸接枝氧化石墨烯改善聚醚砜超滤膜抗污染性与选择性的研究

为解决膜污染和选择性不足的难题，研究人员通过将两性离子N-氨乙基哌嗪丙磺酸（AEPPS）接枝到氧化石墨烯（GO）上，制备了AEPPS@GO纳米复合材料，并用于改性聚醚砜（PES）超滤膜。结果表明，改性膜的水通量提升至260.32 L·m?2·h?1，牛血清蛋白（BSA）截留率达99.97%，且通量恢复率（FRR）超过80%，显著优于纯PES膜。该研究为废水处理提供了高性能膜材料，具有重要的工程应用价值。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，膜技术因其高效、环保的特点成为废水处理的重要选择。然而，膜污染和选择性不足仍是制约其广泛应用的关键瓶颈。聚醚砜（PES）膜因其优异的机械性能被广泛使用，但疏水性表面易吸附污染物，导致通量下降和寿命缩短。氧化石墨烯（GO）因其亲水性和高比表面积被视为理想的改性材料，但单独使用时易发生片层堆叠，影响性能。两性离子材料如N-氨乙基哌嗪丙磺酸（AEPPS）可通过强水合作用形成抗污染层，但其与GO的协同效应尚未充分探索。

为突破这一技术难题，南非的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表了一项创新研究。他们通过将AEPPS化学接枝到GO上，制备了AEPPS@GO纳米复合材料，并将其嵌入PES基质中，成功开发出兼具高选择性和抗污染性的超滤膜。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱证实了AEPPS的成功接枝，并通过热重分析（TGA）和X射线光电子能谱（XPS）量化了接枝密度。膜性能测试显示，改性后的膜不仅孔隙率提升至26.7%，水接触角也从86°降至48°，显著增强了亲水性。

研究的关键技术包括：1）通过开环反应合成AEPPS两性离子；2）采用自由基接枝法将AEPPS共价连接到GO上；3）通过相转化法制备混合基质膜；4）使用死端过滤系统评估膜的通量和截留率；5）采用牛血清蛋白（BSA）和实际污水进行抗污染循环测试。

研究结果
1. 纳米复合材料的表征
FTIR和拉曼光谱显示，AEPPS的-SO₃^?和-NH₂特征峰出现在GO谱图中，证实了化学接枝。XRD分析表明，GO的层间距从0.875 nm扩大至1.0 nm以上，说明AEPPS插入GO层间。XPS进一步揭示了氮和硫元素的成功引入，且随着AEPPS含量增加，GO的结晶尺寸减小，比表面积增大。

2. 膜结构与性能优化
扫描电镜（SEM）显示，AEPPS@GO/PES膜表面形成更多指状孔道，平均孔径从0.29 μm增至0.57 μm。原子力显微镜（AFM）证实改性膜表面粗糙度降低，B6膜因AEPPS过量堆积略有回升。力学测试表明，复合膜的拉伸强度从0.85 N·mm^?2提升至2.3 N·mm^?2，归因于GO的增强效应和两性离子的界面相容性。

3. 分离与抗污染性能
在300 kPa压力下，AEPPS@GO/PES膜的纯水通量达260.32 L·m^?2·h^?1，是纯PES膜的5.6倍。BSA截留率接近100%，污水处理中污染物去除率提升至84.3%。六次污染-清洗循环后，通量恢复率（FRR）保持在80%以上，且可逆污染占比超过60%，远优于纯PES膜的34%。

结论与意义
该研究通过分子设计将两性离子与GO结合，解决了传统PES膜亲水性差和GO易堆叠的问题。AEPPS@GO的引入不仅通过水合层阻隔污染物，还通过增大孔径和孔隙率提升了通量。这种“抗污染-高通量”协同效应为复杂废水处理提供了新思路，尤其适用于水资源紧缺地区。未来研究可进一步探索AEPPS@GO在正渗透（FO）或纳滤（NF）膜中的应用潜力。