基于苯基氨基甲酸酯改性的醋酸纤维素复合膜构建及其在膜蒸馏中的高效分离性能研究

针对传统膜蒸馏(MD)技术中石油基疏水膜材料成本高、难降解的问题，本研究创新性地通过间甲苯异氰酸酯(MTIS)共价修饰二醋酸纤维素(CDA)，结合反向非溶剂致相分离(NIPS)技术与电纺三醋酸纤维素(CTA)纳米纤维膜复合，构建了具有不对称亲/疏水结构的生物质复合膜。最优膜水接触角达116.7°，通量26.38 kg m?2 h?1，截盐率96.87%，为绿色膜材料开发提供了新思路。

　　

随着工业废水处理需求日益迫切，膜蒸馏(MD)技术因其能高效处理高浓度废水并回收废热而备受关注。然而，当前主流的聚偏氟乙烯(PVDF)等石油基疏水膜存在成本高、难降解等问题，与绿色环保理念相悖。醋酸纤维素(CA)虽具生物可降解优势，但其固有亲水性限制了MD应用。如何通过材料改性突破这一瓶颈，成为膜技术领域的重要课题。

研究人员通过化学修饰与物理结构调控的协同策略，创新性地开发出性能优异的生物质复合膜。研究首先利用间甲苯异氰酸酯(MTIS)与二醋酸纤维素(CDA)的氨酯化反应，在分子链上引入疏水性苯基氨基甲酸酯基团；随后将改性后的CDA-MTIS铸膜液与电纺三醋酸纤维素(CTA)纳米纤维膜复合，通过调节凝固浴乙醇/水比例(67:33最优)控制疏水层孔结构与表面粗糙度。表征证实MTIS通过共价键稳定结合，乙醇浓度增加显著促进疏水层多孔结构形成，接触角提升至116.7°。膜蒸馏测试显示最佳膜通量达26.38 kg m^?2 h^?1且截盐率96.87%，同时热机械性能和结晶度得到改善。

关键技术包括：1) MTIS氨酯化修饰构建疏水分子链；2) 电纺CTA纳米纤维膜制备；3) 反向非溶剂致相分离技术；4) 凝固浴组分调控相转化过程。

【材料表征】¹H NMR证实CDA羟基与MTIS异氰酸酯基成功反应，在7.0-7.5 ppm出现苯环特征峰；FTIR显示1725 cm^?1处新增氨基甲酸酯羰基峰。

【结构调控】SEM显示乙醇比例增加使疏水层孔径从0.12 μm增至0.45 μm，表面粗糙度(Ra)从35 nm提升至89 nm，形成分级多孔结构。

【性能测试】接触角测试表明化学修饰使疏水性提升23°，结合物理粗糙化后达116.7°；MD测试中通量比未改性膜提高3.2倍，且连续运行120小时性能无衰减。

该研究通过"分子设计-结构调控-性能优化"的全链条创新，首次实现CA基材料在MD领域的突破性应用。所开发的绿色制备工艺兼具可放大性，为生物质膜材料的工业应用提供重要参考，对推动膜技术可持续发展具有双重意义——既拓展了纤维素材料的应用边界，又为高难度废水处理提供了环境友好解决方案。论文发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，相关技术已申请专利保护。