银涂层聚酰胺-酰亚胺导电超滤膜的开发及其在可持续水处理中的应用

本文开发了一种银涂层聚酰胺-酰亚胺（Ag-PAI）电导超滤膜，通过简易喷涂技术实现高导电性（5.6×104 S cm?1），在7V电压下对活性红120（RR120）和活性黑（RB）的截留率分别达97%和90%，同时通量稳定在≈100 LMH。该膜通过电化学机制（如氢析出反应HER）和静电排斥显著提升抗污性能，通量恢复率（FRR）从49.14%提升至80.41%，并展现55.7%的大肠杆菌抑制率，为废水处理提供了高效、可持续的解决方案。

　　

摘要

研究聚焦于开发电导性聚酰胺-酰亚胺（PAI）超滤膜，通过银涂层赋予其高导电性（>5.6×10⁴ S cm^?1），利用外加电压提升染料截留效率并缓解膜污染。电化学阻抗谱（EIS）证实了膜的高导电性，线性扫描伏安法（LSV）揭示了膜表面的氧还原反应（ORR）和氢析出反应（HER）。Ag-PAI膜在7V电压下对RR120和RB的截留率分别达97%和90%，通量保持≈100 LMH，抗有机污染性能显著提升，通量恢复率（FRR）提高31%。

1 引言

膜污染（尤其是生物污染）是水处理中长期存在的挑战。电导膜（ECM）通过电场驱动离子迁移（电泳）、流体对流（电渗）及静电排斥等机制缓解污染。银因其高导电性（0.063×10⁷ S cm^?1）和抗菌特性成为理想材料，但其释放控制是关键。本研究采用喷涂法在PAI膜表面构建均匀银层，兼顾导电性与抗菌性。

2 材料与方法

2.1 化学品与试剂

使用52%载银量的纳米银溶液（SPI 508）和PAI聚合物（Torlon 4000 THV），以N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）为溶剂。

2.2 PAI支撑层制备

通过非溶剂致相分离法（NIPS）制备PAI膜，浸入去离子水凝固浴中成型。

2.3 Ag-PAI膜制备

采用低压喷涂法将银墨水均匀覆盖膜表面，80℃固化20分钟，形成厚度≈0.54 μm的导电层。

3 结果与讨论

3.1 银纳米颗粒表征

SEM/TEM显示银颗粒呈球形网络（平均尺寸57.5 nm），XPS证实银占比86.2%，XRD显示面心立方结构。

3.2 膜表面特性

Ag-PAI膜接触角降低12°，表面粗糙度增至39 nm，zeta电位在pH=4.5时达等电点。分子量截留（MWCO）为6750 Da，平均孔径5 nm。

3.3 电化学性能

LSV证实ORR（+0.5~0V）和HER（<-1V）反应，MCA实验显示-1V时电流密度骤增至90 mA cm^?2，伴随气泡生成。

3.4 过滤性能

7V电压下，RB截留率提升32%，FRR达80.41%。长期测试中银释放量极低（7天累计1.2 mg L^?1）。

3.5 抗菌性能

悬浮模式下对大肠杆菌抑制率55.7%，静态模式因银固定化无抑菌圈。

4 结论

Ag-PAI膜通过喷涂法实现高导电性与抗菌性，在电场辅助下显著提升染料截留和抗污性能，为水处理提供可持续方案。未来需优化规模化生产并深化抗生物污染研究。

（注：全文严格依据原文缩略，未添加非文献内容，专业术语如ORR/HER等保留英文缩写及符号规范。）