钙离子桥联MXene/海藻酸钠复合膜的卓越性能与分子机制研究

为解决高盐废水中有机染料与无机盐高效分离的难题，研究人员通过Ca2+桥联技术构建了MXene/海藻酸钠(SA)复合膜，实现了270.78 L·m-2·h-1·bar-1的高水通量和≥99.5%的染料截留率，同时盐截留率<12%，选择性因子S(EB/NaCl)达783.1。该膜在pH/有机溶剂环境中保持稳定，抗污染性能优异（HA/BSA通量恢复率>86%），通过XDLVO理论和DFT计算揭示了Ca2+诱导SA形成"蛋盒"结构（结合能-258.1 kJ/mol）的分子机制，为高性能分离膜设计提供了新思路。

　　

纺织印染、食品加工等行业每年产生约2000亿升含染料/盐的废水，传统处理方法难以兼顾效率与成本。膜分离技术虽具环保优势，却受限于膜污染导致的通量下降和稳定性差等问题。MXene材料虽具有亲水性表面基团（-OH、-COOH），但层间作用力弱易结构坍塌；海藻酸钠（SA）作为天然多糖虽能通过Ca²⁺形成"蛋盒"结构交联，但其在膜分离领域的潜力尚未充分挖掘。

浙江理工大学的研究团队在《Water Research》发表研究，通过Ca²⁺桥联MXene与SA构建复合膜。采用SEM/TEM/AFM表征膜形貌，XDLVO理论分析界面作用力，结合分子模拟和DFT计算（结合能-258.1 kJ/mol，Ca²⁺与SA距离3.06 ?）揭示分子机制。选用EB/NaCl等模型污染物评估性能，通过UOCA（水下油接触角≥145°）和FRR（通量恢复率>86%）测试稳定性。

Preparation of MXene/SA Composite Membranes
通过Ca²⁺交联MXene（0.1mg/mL）与SA（1mg/mL）溶液，形成具有"蛋盒"结构的复合膜。SA分子链在Ca²⁺诱导下规则排列，每个Ca²⁺可桥联约1.5个SA单体。

Morphology of MXene/SA composite membranes
TEM显示MXene呈透明层状结构（图2e），SA插入使层间距从3.9 ?增至8.2 ?。AFM显示膜表面粗糙度降低，亲水性增强（接触角从65°降至28°）。

Conclusions
该膜实现270.78 L·m^-2·h^-1·bar^-1通量，染料截留率≥99.5%而盐截留<12%。Ca²⁺与SA的强配位作用（-258.1 kJ/mol）形成均匀纳米通道，XDLVO理论证实其抗污染性源于排斥力（-36.2 mJ/m²）。分子模拟显示Ca²⁺主要分布在距SA 3.06 ?处，协调效率达1.5 SA单体/Ca²⁺。

该研究为高盐废水处理提供了新型分离膜设计策略，通过天然高分子与二维材料的协同效应，同时解决了渗透性、选择性和稳定性的矛盾。后续可拓展至重金属/有机污染物共去除等领域，具有显著的环保与资源化应用价值。