经磷钨酸改性的活性炭/聚砜复合膜，具有优异的防污性能和过滤效果

《Materials Today Communications》：Phosphotungstic acid-functionalized activated carbon/polysulfone hybrid membranes with enhanced antifouling and filtration performance

高效抗污超滤膜材料设计与性能优化研究。采用聚砜（PS）基体通过相转化法制备了1%、3%、5%负载量的PTA@AC/PS复合膜，通过FTIR、XRD等表征证实了PTA与AC的协同改性作用。5%负载膜在HA溶液中实现175 L/m2·h超滤通量，98%以上大分子污染物截留率，99%通量恢复率，且抗污稳定性达三周循环测试。其机理为PTA的酸性基团增强表面亲水性和水化层形成，AC的比表面积促进有机物吸附截留，协同效应显著降低不可逆污堵（<12%）。本研究为高稳定性水处理膜开发提供了新策略。|PTA@AC|聚砜膜|超滤抗污|纳米复合物|水通量优化|活性炭改性|表面亲水性|水处理膜|协同效应|有机污染物截留

　　在当今全球水资源日益紧张的背景下，安全饮用水的获取成为了一个亟需解决的重要议题。自然有机物（NOM）作为水体中常见的污染物，其存在不仅影响水的感官性质，还可能引发消毒副产物的生成，从而对人类健康构成潜在威胁。因此，高效去除NOM的水处理技术成为研究的重点之一。其中，超滤（UF）膜技术因其能耗低、操作压力小等优势，被广泛应用于水处理领域。然而，传统超滤膜材料如聚砜（PS）由于其固有的疏水性，容易受到NOM和蛋白质的污染，导致通量下降和膜寿命缩短。

为了解决上述问题，研究人员尝试通过引入纳米填料来改善膜的性能。这些填料包括二氧化钛（TiO?）、碳纳米管（CNTs）、金属-有机框架（MOFs）以及活性炭（AC）等。这些材料的加入不仅可以提升膜的亲水性，还能增强其表面能、孔隙率和抗污染能力，从而提高膜的渗透性和运行稳定性。在这些填料中，活性炭因其高比表面积、强吸附能力和经济性而备受关注。当活性炭以纳米尺度均匀分散在PS基质中时，能够有效提高NOM的截留率并减少蛋白质污染，同时不牺牲其原有的截留性能。

磷钨酸（PTA）作为一种具有独特化学性质的Keggin型多酸，因其强Br?nsted酸性、良好的氧化还原能力和优异的热稳定性而受到重视。尽管PTA在催化和质子交换膜领域已有广泛应用，但将其引入聚合物基质中以增强膜性能的研究仍处于探索阶段。已有研究表明，PTA可以显著提升膜的亲水性、水保留能力和导电性。例如，PTA负载的PES-PVP膜在燃料电池应用中实现了显著的质子导电性提升，同时保持了良好的机械稳定性。此外，PTA锚定在海泡石纳米管或氧化石墨烯上的研究也表明，其在低湿度环境下能够稳定负载并改善膜性能。这些研究结果表明，PTA在聚合物膜中的引入能够有效提升膜的性能，特别是在抗污染和提高通量方面。

本研究提出了一种新的思路，即将PTA与活性炭结合，形成PTA@AC复合填料，再将其引入PS基质中，制备出PTA@AC/PS混合膜。这一复合材料结合了活性炭的高吸附能力和PTA的强酸性，旨在通过双重作用机制提升膜的性能。活性炭能够有效吸附NOM，而PTA则通过其酸性基团增强膜表面的亲水性，促进水分子的吸附和形成水合层，从而减少污染物在膜表面的附着。这种双重机制有望显著提高膜的通量、NOM截留率以及抗污染能力。

为了验证这一假设，本研究采用多种表征手段对PTA@AC复合填料和混合膜进行了全面分析。傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果显示，PTA与活性炭之间形成了氢键，支持了PTA在活性炭表面的功能化机制。热重分析（TGA）和拉伸测试进一步证实了PTA@AC的热稳定性和机械强度的提升。此外，扫描电子显微镜（FESEM）和原子力显微镜（AFM）图像显示，PTA@AC均匀分布在PS基质中，改善了膜的表面形貌和结构有序性。接触角测量表明，PTA@AC的引入显著提高了膜的亲水性，这对于减少污染和提高通量至关重要。

在性能测试方面，研究使用了富含有机质的水样，评估了PTA@AC/PS混合膜的纯水通量、NOM溶液通量、NOM截留率以及污染恢复率。结果显示，5%负载的PTA@AC/PS混合膜在纯水通量和NOM溶液通量方面表现尤为突出，分别达到了约175 L/m2·h和约120 L/m2·h。同时，该膜对HA、BSA和藻酸盐的截留率均超过了98%。在污染恢复方面，5%负载的膜实现了约99%的通量恢复率，且不可逆污染低于12%。这些结果表明，PTA@AC/PS混合膜在去除NOM和提高膜性能方面具有显著优势。

值得注意的是，该混合膜在连续三次过滤循环中表现出稳定的性能，这进一步验证了其在实际应用中的可行性。这不仅意味着膜材料具有良好的耐久性，还表明其在长期运行中能够维持高效的过滤能力。这一发现对于开发高效、稳定且可持续的水处理膜具有重要意义。

本研究的成果表明，PTA@AC/PS混合膜为超滤技术提供了一种新的、有前景的解决方案。通过结合活性炭的吸附能力和PTA的酸性特性，该混合膜在去除NOM和提高膜性能方面表现出色。此外，其良好的抗污染能力使其在实际应用中具有更高的可靠性和经济性。这些性能的提升主要归因于PTA在活性炭表面的均匀分布及其对膜表面性质的改善。

在当前的水处理技术中，膜污染是一个普遍存在的问题，尤其是在处理含有高浓度NOM的水源时。传统的膜材料由于其疏水性，容易发生污染，导致通量下降和膜寿命缩短。因此，开发具有抗污染能力的膜材料成为研究的重点。PTA@AC/PS混合膜的出现为这一问题提供了一个可行的解决方案。通过增强膜的亲水性和表面酸性，该膜不仅能够有效吸附NOM，还能减少污染物在膜表面的附着，从而延长膜的使用寿命。

此外，该研究还强调了化学固定化在提高PTA在膜材料中稳定性和功能性方面的重要性。通过将PTA固定在活性炭表面，不仅减少了PTA的迁移和流失，还确保了其功能特性的长期保持。这种化学固定化方法在其他研究中也得到了验证，表明其在提升膜性能方面的有效性。因此，PTA@AC/PS混合膜的开发不仅有助于解决膜污染问题，还为未来膜材料的设计提供了新的思路。

在实际应用中，PTA@AC/PS混合膜的高通量和高截留率使其在水处理领域具有广泛的应用前景。尤其是在处理含有高浓度有机物的水源时，该膜能够有效提高处理效率，减少能耗和维护成本。同时，其优异的抗污染能力也意味着在实际运行中能够减少清洗频率，延长膜的使用寿命，从而降低整体运行成本。这些优势使其成为一种具有竞争力的水处理膜材料。

综上所述，本研究通过将PTA与活性炭结合，制备出PTA@AC/PS混合膜，成功解决了传统膜材料在去除NOM和抗污染方面的不足。该膜不仅在纯水通量和NOM截留率方面表现出色，还在污染恢复率和运行稳定性方面具有显著优势。这些成果为开发高性能、高稳定性的超滤膜提供了新的方向，同时也为水处理技术的进一步发展奠定了基础。