新型PAH/PSS多层修饰纳滤膜在强酸性溶液中高效选择性吸附Th(IV)的研究及其在水处理中的应用

为解决传统纳滤(NF)膜在离子选择性和抗污染性方面的不足，研究人员通过层层自组装(LBL)技术将聚烯丙胺盐酸盐(PAH)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)多层结构修饰于商用Fortilife-XN膜表面。研究发现，6.5双层的PAH/PSS修饰膜在11 bar压力下对Mg2+和Ca2+的截留率分别达95%和92%，K(I)/Mg(II)和Na(I)/Mg(II)选择性提升151%和113%。该研究为高选择性纳滤膜设计提供了新思路，在水软化和资源回收领域具有重要应用价值。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，膜分离技术在水处理领域扮演着越来越重要的角色。然而，传统聚酰胺薄膜复合(TFC)纳滤膜面临三大挑战：耐氯性差、易污染以及在选择性和渗透性之间存在固有矛盾。特别是在处理受工业排放和干旱影响的河流水源时，如何高效分离单价和多价阳离子成为亟待解决的技术难题。

针对这些问题，Tanaz Moghadamfar等人在《Journal of Water Process Engineering》发表研究，通过创新的层层自组装(LBL)技术对商用Fortilife-XN纳滤膜进行表面修饰。研究人员选择聚烯丙胺盐酸盐(PAH)作为阳离子聚电解质，聚苯乙烯磺酸钠(PSS)作为阴离子组分，构建了具有精确控制厚度和表面特性的多层结构。这种修饰策略旨在增强膜对二价阳离子的截留能力，同时提高单价/二价离子的选择性。

研究采用了多项关键技术方法：通过浸涂法构建1.5-6.5个双层的PAH/PSS结构；利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱确认聚电解质成功沉积；采用zeta电位分析表征表面电荷变化；通过原子力显微镜(AFM)和场发射扫描电镜(FE-SEM)观察表面形貌；建立溶液电扩散膜(SEDF)模型分析离子传输机制。测试使用模拟Llobregat河水成分的合成溶液，该水源受工业排放和干旱影响具有典型的地表水特征。

在膜制备与表征部分，研究显示随着双层数增加，膜表面粗糙度从11 nm增至118 nm，接触角从30°升至65°。zeta电位测试表明6.5双层修饰膜的等电点(IEP)升至3.4，表面负电荷减少。这些变化直接影响膜的性能，5.5和6.5双层膜的纯水渗透性降至5.4和7.5 L/(m²·h·bar)。

在模型地表水测试中，6.5双层修饰膜展现出最佳性能。在11 bar操作压力下，对Mg²⁺和Ca²⁺的截留率分别达到95%和92%，较原始膜(88%和81%)显著提高。更重要的是，K(I)/Mg(II)和Na(I)/Mg(II)的选择性分别从3.9和4.5提升至9.8和9.6，增幅达151%和113%。

通过SEDF模型分析离子传输机制发现，修饰膜对Ca²⁺和Mg²⁺的渗透性(1.6 μm/s)显著低于单价离子(Na⁺为5.7 μm/s)。模型还揭示了中性络合物(如CaSO₄(aq))的传输受阻现象，其渗透性(0.138 μm/s)甚至低于自由离子。

与先前研究的PDADMAC/PSS修饰膜相比，PAH/PSS体系展现出更优越的性能。这归因于PAH的弱聚电解质特性导致更高的电荷密度和更紧密的层间结合，主要通过介电排斥机制增强离子选择性。而PDADMAC修饰膜则更多依赖Donnan排斥机制，其选择性和截留率相对较低。

该研究的创新价值在于首次系统评估了PAH/PSS多层结构在平板式纳滤膜上的应用效果。6.5双层修饰膜在保持合理渗透性(7.5 L/(m²·h·bar))的同时，实现了显著的离子选择性提升。这一成果不仅为高选择性纳滤膜设计提供了新思路，对水软化、资源回收以及锂提取等工业应用也具有重要指导意义。未来研究可进一步探索该技术在极端pH条件下的稳定性，以及在不同化学组成膜材料上的普适性。