对称结构正电荷正向渗透膜的工程化设计及其在重金属回收中的应用研究

为解决电镀废水中重金属离子回收效率低的问题，研究人员通过季铵化聚苯并咪唑（QPBI）骨架设计了一种对称结构正电荷正向渗透（FO）膜。该膜通过调控季铵基团密度和聚乙二醇（PEG）诱导成孔，实现了8.4 L m-2 h-1的水渗透率和~965 L mol-1的反盐选择性，对Cu2+、Ni2+、Zn2+的截留率均超98%，且无内浓差极化（ICP）效应，为重金属资源化提供了高效解决方案。

　　

随着电镀工业的快速发展，含重金属离子的废水排放量激增，传统处理方法如沉淀法因无法高效回收金属离子且易造成二次污染，难以满足可持续发展需求。膜技术因其环保特性成为研究热点，但传统正向渗透（Forward Osmosis, FO）膜因带负电荷会通过静电吸引加速重金属离子渗透，导致回收效率低下。针对这一难题，中国的研究团队创新性地设计了一种对称结构且带正电荷的FO膜，通过化学修饰和结构优化，成功实现了重金属离子的高效截留与浓缩，相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。

研究团队采用一锅法合成季铵化聚苯并咪唑（QPBI）聚合物，通过调控季铵（QA）基团密度和聚乙二醇（PEG 200）成孔作用，制备了无支撑层的对称结构膜。关键实验技术包括：核磁共振（¹H NMR）表征聚合物结构、石英晶体微天平（QCM-D）分析金属离子吸附动力学、动态渗透实验评估膜性能。

材料与化学合成
通过聚苯并咪唑（PBI）骨架的季铵化修饰引入正电荷，利用PEG 200调控膜孔结构，形成均匀的电荷屏障。

QPBI膜的表征与性能
最优膜（QPBI-2.0-0.4）水渗透率达8.4 L m^-2 h^-1，反盐选择性为965 L mol^-1，显著优于商用HTI-CTA膜。对称结构完全消除了内浓差极化（ICP）效应，且金属离子截留率（Cu²⁺ 98.5%、Ni²⁺ 98.1%、Zn²⁺ 99.4%）与膜厚度直接相关。

作用机制
QCM-D显示苯并咪唑环与金属离子的强相互作用提升了局部正电荷密度，通过尺寸排阻和静电排斥双重效应增强截留性能。

实际应用验证
在处理模拟电镀废水时，QPBI膜可实现重金属六倍浓缩且无质量损失，而商用膜离子渗透率超15%。

该研究通过分子设计解决了FO膜电荷特性与重金属回收效率的矛盾，提出的对称结构正电荷膜兼具高选择性和操作稳定性，为工业废水资源化提供了新思路。其创新性体现在：1）一锅法合成简化制备流程；2）对称结构消除ICP效应；3）电荷屏障机制突破传统膜材料限制。研究成果对推动绿色水处理技术发展具有重要意义。