羧基功能化单体协同调控聚酰胺纳滤膜氯/硫酸根选择性与抗污染性能研究

为解决传统聚酰胺(PA)纳滤膜(NF)对一价/二价离子选择性差、渗透性与抗污染性能难以平衡的问题，研究人员通过混合单体策略（PIP/PIP-COOH）优化界面聚合(IP)过程，开发出具有19.86 NaCl/Na2SO4选择性和10.42 L·m-2·h-1·bar-1通量的高性能膜，其总污染率仅4.62%，为可持续水处理提供新方案。

　　

随着全球水资源短缺问题加剧，膜技术在海水淡化、工业废水处理等领域扮演着越来越重要的角色。其中，纳滤膜(NF)因其成本效益高和环境友好特性备受关注。然而，传统聚酰胺(PA)膜由于活性层结构致密、孔径小，往往难以有效区分一价离子(如Na⁺、Cl^-)和二价离子(如SO₄^2-)，导致资源回收效率低下。更棘手的是，这些膜还普遍存在渗透性不足、易污染等问题，严重制约其实际应用。

针对这一系列挑战，山东的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了一项创新研究。他们采用混合单体策略，将羧基功能化的哌嗪-2-羧酸(PIP-COOH)与传统哌嗪(PIP)结合，通过精确调控界面聚合(IP)过程，成功制备出具有优异性能的新型纳滤膜。这项研究不仅解决了传统膜材料的关键性能瓶颈，还为可持续水处理技术的发展提供了新思路。

研究团队主要运用了三大关键技术：界面聚合技术（在聚醚砜(PES)基底上构建活性层）、表面特性表征（ATR-FTIR分析官能团分布）以及膜性能测试系统（评估水通量、盐截留率和抗污染性能）。

化学结构及膜表面组成分析
通过ATR-FTIR证实，PIP-COOH的引入增强了膜表面羧基密度，其1650 cm^-1和1330 cm^-1特征峰显示更均匀的聚酰胺网络结构。XPS数据进一步表明，优化后的膜表面O/N原子比提升至1.31，显著高于传统PA膜。

分离性能优化
当PIP/PIP-COOH比例为3:1、TMC浓度0.4%时，膜表现出19.86的Cl^-/SO₄^2-选择性，远超商业膜水平。水通量达10.42 L·m^-2·h^-1·bar^-1，同时保持92.3%的Na₂SO₄截留率。

抗污染机制
膜表面zeta电位降至-42.6 mV，接触角减小至38.5°，使牛血清蛋白吸附量降低76%。经水力清洗后通量恢复率达99.07%，总污染率仅4.62%，展现卓越的长期运行稳定性。

这项研究通过分子设计实现了膜性能的多维度突破：PIP-COOH既作为反应速率调节剂控制IP过程，又作为电荷改性剂提升表面负电性。其羧基基团不仅增强了对SO₄^2-的Donnan排斥效应，还通过改善亲水性大幅提升抗污染能力。该成果为开发下一代高性能纳滤膜提供了可扩展的制备范式，在工业废水回用、贵重金属回收等领域具有重要应用前景。研究揭示的"结构-性能"关系，也为功能化单体在膜材料设计中的应用奠定了理论基础。