聚酯-聚酰胺互穿网络结构纳滤膜实现高效天然地表水净化的创新研究

针对传统聚酰胺(PA)纳滤(NF)膜存在的渗透选择性矛盾与氯敏感性难题，研究人员通过间苯三酚(PG)后处理构建了具有独特图灵表面形貌的聚酯-聚酰胺互穿网络(IPN)NF膜。该膜展现24.5 L·m?2·h?1·bar?1的高水通量和90.7%有机物截留率，在20,000 ppm·h极端氯暴露下仍保持93%截留率，为饮用水处理提供了新一代膜技术方案。

　　

随着全球水资源短缺与污染问题日益严峻，膜分离技术因其高效节能特性成为饮用水处理的关键手段。其中纳滤(NF)膜凭借对多价离子和有机物的选择性截留能力备受关注，但传统聚酰胺(PA)薄膜复合(TFC)膜面临渗透性与选择性难以兼得的"trade-off"效应，更致命的是其酰胺键易被饮用水处理中广泛使用的氯消毒剂攻击，导致膜性能快速衰减。频繁更换膜组件不仅增加运营成本，更威胁供水安全。虽然已有纳米材料复合、表面接枝等多种改性尝试，但往往顾此失彼，难以同时提升渗透性、选择性和氯稳定性这三个核心指标。

来自济南大学的研究团队在《Desalination》发表创新研究，通过间苯三酚(PG)后处理构建了聚酯-聚酰胺互穿网络(IPN)结构的NF膜。该研究采用超低浓度PG水溶液在室温下与PA膜残余酰氯基团反应，形成次级聚酯(PE)网络。通过扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段结合密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了PG浓度对膜结构性能的影响。研究团队还建立了包含Na₂SO₄、MgCl₂等标准溶液的测试体系，采用交叉流过滤装置评估膜分离性能，并通过20,000 ppm·h的加速氯暴露实验验证稳定性。

【表面微结构】SEM显示IPN膜形成独特的图灵皱褶结构和环状形貌，IPN-0.5P1PG膜表面皱褶周期约200 nm，较传统PA膜增加40%有效过滤面积。这种仿生结构源于PE网络引入引发的界面不稳定性，为后续性能提升奠定结构基础。

【化学组成】XPS证实PE网络成功渗透至PA基体中，IPN-0.5P2PG膜的O/C比提升至0.38，酯键特征峰(173.5 eV)强度随PG浓度增加而增强。ATR-FTIR显示1720 cm^?1处酯羰基振动峰，证实PE网络形成。

【分离性能】优化后的IPN-0.5P2PG膜水通量达24.5 L·m^?2·h^?1·bar^?1，对腐殖酸截留率90.7%，突破传统PA膜性能上限。Zeta电位测试显示表面电势降至-45 mV，增强了对带负电污染物的静电排斥作用。

【氯稳定性】极端氯暴露实验后，IPN膜截留率保持率达93%，远超传统PA膜的65%衰减率。DFT计算揭示PE网络带隙能(4.8 eV)高于PA网络(3.2 eV)，且不含易被氯攻击的N-H键，赋予其本征稳定性。

该研究通过精巧的IPN结构设计，首次实现NF膜渗透性、选择性和氯稳定性的协同提升。PE网络不仅通过酯键的化学惰性提供氯保护，其与PA网络的互穿还形成多层次防御架构。更值得关注的是，该方法采用水相温和反应条件，PG用量极低(0.2 wt%)，符合绿色化学原则。这项研究为开发新一代饮用水处理膜提供了全新思路，其构建的图灵结构膜表面和互穿网络概念也可拓展至其他分离膜领域。研究成果得到国家自然科学基金(52400006)和山东省住房城乡建设科技计划(2024KYKF-KCXFZ133)等项目的支持。