二维MXene/聚酰胺梯度厚度纳米过滤膜的构建及其在染料与抗生素废水净化中的应用

针对传统纳滤膜渗透性与选择性难以兼顾的难题，中国科学院研究人员通过交替组装二维Ti3C2Tx MXene与聚酰胺(PA)层，构建了层厚梯度结构的纳米过滤膜。该膜纯水渗透性达20.4 L m?2 h?1 bar?1（较传统PA膜提升3倍），对Na2SO4截留率97.3%，甲基蓝和制霉菌素截留率分别达99.9%和100%，且80小时连续过滤后性能稳定，为高难度有机废水处理提供了新策略。

　　

随着全球水资源短缺与有机污染物治理需求激增，膜分离技术因高效低耗成为研究热点。然而传统聚酰胺(PA)纳滤膜存在渗透性-选择性"权衡效应"（trade-off effect），且粗糙的"脊谷"结构易导致膜污染。更棘手的是，传统界面聚合(IP)过程形成的PA层厚度不均（100-400 nm），造成显著水力阻力。如何突破这一"选择性渗透屏障"，成为水处理领域的卡脖子问题。

中国科学院团队在《Desalination》发表的研究中，创新性地提出"梯度厚度"结构设计理念。通过交替堆叠二维Ti₃C₂T_x MXene纳米片与PA层，构建了从基底到表面厚度递减的多层膜（MXene/PA-2）。这种结构既利用MXene表面含氧基团(-OH/-O)增强哌嗪(PIP)单体吸附，又通过二维纳米通道降低水流阻力。关键技术包括：真空抽滤组装MXene中间层、可控界面聚合反应、层厚梯度结构精确调控等。

【Morphology and structure characterization】
研究通过SEM证实梯度结构成功构建，MXene层使PA分离层厚度减少38%，表面粗糙度降低62%。XPS分析显示MXene的-F/-OH基团与PIP形成氢键，优化了IP反应动力学。

【Conclusion】
该膜纯水渗透性达20.4 L m^?2 h^?1 bar^?1，Na₂SO₄截留率97.3%，对甲基蓝(MB)和制霉菌素的截留率分别达99.9%和100%。80小时错流过滤后，MB截留率仍保持99.5%，渗透性仅衰减8.8%。AFM测试显示其污染倾向系数降低72%，显著优于传统PA膜。

这项研究首次实现二维材料与梯度结构的协同设计，突破传统膜材料的性能天花板。其创新点在于：① MXene层调控IP反应形成超薄无缺陷PA层；② 梯度结构创建"短程水传输通道"；③ 氧终止MXene表面赋予持久亲水性。该成果为制药、印染等高难度废水处理提供了工业化应用潜力，被通讯作者Hongli Zhang评价为"膜结构设计范式转变"。值得注意的是，研究团队特别声明该技术已申请中国发明专利，且实验数据均通过第三方检测机构验证，凸显其技术成熟度与可靠性。