MXene/ZnO纳米颗粒复合膜：提升抗污染与抗菌性能的实验与分子动力学模拟研究

本研究针对聚合物膜在水处理应用中易受污染和微生物附着的问题，通过相转化法制备了PES/PVA-MXene/ZnO复合膜。结果表明，MXene的引入使水通量提升至360.6 L/m2·h（较原始膜提高3倍以上），通量恢复率（FRR）达89.3%，BSA截留率为94.7%。分子动力学模拟证实MXene增强了水-膜界面相互作用。该研究为开发兼具高效分离和自清洁功能的下一代超滤膜提供了新策略。

　　

随着城市化进程和人口增长，水污染问题日益严重。膜分离技术因其占地面积小、效率高和能耗低等优势，成为水处理领域的关键技术。然而，膜污染问题严重制约了其广泛应用——污染物、微生物和化学物质在膜表面及孔道内的沉积会导致膜通量下降、寿命缩短和维护成本增加。提高聚合物膜的亲水性被认为是增强抗污染性能和延长使用寿命的有效策略，其中纳米材料改性因其能同时改善膜的通量、机械强度和抗菌性能而备受关注。

在这项发表于《Applied Soil Ecology》的研究中，伊朗戈尔斯坦大学工程学院的Fatemeh Badavar、Leila Lotfikatooli和Nasibeh Hajilary团队通过实验与分子动力学模拟相结合的方法，系统研究了MXene和ZnO纳米颗粒对聚醚砜（PES）/聚乙烯醇（PVA）复合膜性能的协同增强作用。研究人员采用相转化法制备了不同组分的复合膜，并通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）、能量色散X射线光谱（EDX）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、水接触角测量、孔隙率与孔径分析以及机械性能测试等多种表征手段对膜的结构和性质进行了全面解析。性能评估包括水通量、牛血清白蛋白（BSA）截留率和通量恢复率（FRR）等指标，同时利用分子动力学（MD）模拟从分子层面揭示了纳米材料与膜界面之间的相互作用机制。

研究结果显示，MXene和ZnO纳米颗粒的引入显著改善了膜的性能。FE-SEM图像显示，添加纳米颗粒后膜表面孔隙密度增加，截面呈现指状孔结构并向大孔结构转变。EDX分析证实了ZnO纳米颗粒在膜中的均匀分散，ATR-FTIR光谱在3000–4000 cm^?1范围内的强峰表明羟基（OH）官能团增加，证实了纳米材料增强了膜的亲水性。水接触角测量表明，PES/PVA-MXene膜具有最低的接触角（51°），表现出最优的亲水性能。孔隙率和平均孔径测试显示，含MXene的膜具有最高孔隙率（78.6%）和最大平均孔径（34.5 nm），这与其最高的水通量（360.6 L/m2·h）相一致。

在分离性能方面，PES/PVA-MXene膜不仅实现了94.7%的BSA截留率，还展现出优异的抗污染特性，其通量恢复率（FRR）高达89.3%，远高于原始PES膜（76.3%）。温度影响实验表明，在70°C操作温度下，该膜仍保持91.9%的FRR，证明其在不同工况下的稳定性。机械性能测试显示，纳米材料的加入未对膜的拉伸强度和断裂伸长率产生负面影响，确保了其在实际应用中的机械可靠性。

分子动力学模拟结果从分子层面揭示了性能增强的机制。径向分布函数（RDF）分析表明，水分子与PES/PVA-MXene膜表面的氧原子之间存在更强的相互作用，这与其优异的亲水性相符。同时，BSA分子与膜表面的吸附概率较低，说明复合表面对蛋白质污染具有固有抵抗性。平均位移（MSD）分析计算得出，PES/PVA-MXene膜具有最高的水扩散系数（1.127 × 10^?2 nm2/ps），与其高通量性能一致。

该研究通过实验与模拟相结合的方法，不仅证实了MXene和ZnO纳米颗粒在提升膜性能方面的协同效应，还从分子层面揭示了其作用机制，为设计高性能超滤膜提供了重要理论依据和实践指导。这些发现对于开发下一代具有可调抗污染和抗菌功能的先进水处理膜技术具有重要意义，特别是在应对复杂水质条件和长期运行稳定性方面展现出广阔的应用前景。