《Chemical Engineering Journal Advances》：Enhanced Tetracycline Removal Using MOF-808 Incorporated Polysulfone Nanofiltration Mixed Matrix Membranes
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为解决常规纳滤膜在去除水中药物污染物时存在的渗透性与选择性之间的矛盾及易污染问题，研究人员通过将锆基MOF-808纳米颗粒嵌入聚砜基体制备了混合基质膜。该研究在提升膜亲水性、孔隙率的同时，成功实现了对四环素高达97%的截留率，并显著增强了膜的抗污染性能，为抗生素废水处理提供了一种有效且可扩展的可持续方案。
随着全球人口增长、工业化和环境污染加剧，对清洁水的需求日益紧迫。其中，以四环素为代表的抗生素类污染物，因其化学性质稳定、在水环境中持久存在且微量即具有生物活性，已成为科学界和监管部门关注的重大环境问题。这些污染物的持续排放，对现有水处理系统构成了严峻挑战。在众多水处理技术中，膜分离技术以其环境友好、能耗较低且无需添加有害化学品的优点，成为一种极具前景的解决方案。然而，传统的纳滤和反渗透膜在处理小分子量（300-500 Da）的抗生素时，常常面临渗透性与选择性之间的固有矛盾，以及膜污染导致的性能下降和能耗增加等问题。因此，开发新型、高效且抗污染的膜材料显得尤为迫切。
近期发表在《Chemical Engineering Journal Advances》上的一项研究，提出了一种创新的解决方案。研究人员将一种名为MOF-808的锆基金属有机骨架纳米颗粒，嵌入到聚砜基质中，通过相转化法制备了一系列混合基质纳滤膜，旨在同步提升膜对四环素的去除能力、水通量以及抗污染性能。
为开展此项研究，作者团队主要采用了以下几个关键技术方法：首先，利用化学合成法制备了MOF-808纳米颗粒；其次，采用湿法相转化技术，通过改变MOF-808的含量制备了多种混合基质膜；最后，通过一系列的表征和性能测试对膜的物理化学性质和分离性能进行了系统评估。这些测试方法包括X射线衍射（XRD）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析膜的晶体结构和化学组成；使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察膜的微观形貌和MOF分布；利用原子力显微镜（AFM）分析表面粗糙度；进行拉伸测试评估机械性能；测量水接触角评价亲水性；并搭建错流过滤系统测试膜的纯水通量、四环素截留率和抗牛血清白蛋白（BSA）污染性能。
在膜的表征方面，研究得出了以下结论：
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XRD分析表明，MOF-808的特征峰成功出现在混合基质膜的XRD图谱中，证实了MOF-808被成功掺入聚合物基质中，且未显著改变PSF基质的主体非晶态结构。
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ATR-FTIR分析显示，混合基质膜的光谱特征与纯PSF膜几乎一致，表明MOF-808的加入并未改变PSF的化学结构，性能的提升源于膜的形态和物理特性的改变。
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力学性能测试发现，当MOF-808含量为1 wt%时，膜的弹性模量和拉伸强度得到增强，这归因于MOF-808作为刚性纳米填料与聚合物基质间的强界面相互作用。
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SEM和TEM分析表明，MOF-808的加入显著改变了膜的断面结构，促进了指状大孔的形成和扩张，且TEM图像证实MOF-808颗粒在聚合物基体中分布均匀，并保持了其多面体晶体结构。
在多孔结构与亲水性方面，研究结果显示：
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随着MOF-808含量从0增加到1.5 wt%，纯水通量从0.76 LMH激增至10.27 LMH，同时水接触角显著降低，表明膜的亲水性得到极大改善。这主要归因于MOF-808的固有亲水性和其对膜形貌的改变，导致了孔隙率和平均孔径的增加。
在四环素分离性能评估中，研究得出关键结论：
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优化的MMM-1膜（含1 wt% MOF-808）在保持2.10 LMH通量的同时，对四环素的截留率高达97%，有效克服了原始PSF膜在渗透性与选择性之间的权衡困境。这种提升源于MOF-808带来的静电相互作用、π-π堆积、氢键以及尺寸筛分等多种协同机制。
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然而，当MOF-808含量进一步增加至1.5 wt%时，尽管水通量持续上升，但四环素截留率出现显著下降，这是由于过大的孔隙和MOF颗粒团聚导致的选择性屏障减弱。
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在处理四环素与氨苄青霉素（AMP）的混合抗生素溶液时，MMM-1膜也表现出对两种抗生素近乎完全的截留能力。
在抗污染评估方面，研究结果表明：
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与纯PSF膜相比，MMM-1膜在BSA溶液过滤后展现出优异的通量恢复，通量恢复率高达98%，而纯PSF膜仅为55%。
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对阻力参数的分析表明，MMM-1膜的本征阻力、膜孔阻力（Rf）和滤饼层阻力（Rc）均显著低于纯PSF膜，这得益于MOF-808增强的表面亲水性有效减少了污染物在膜表面的粘附和沉积。
在吸附动力学研究中，实验揭示了MOF-808在分离过程中的双重功能：
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MMM-1膜对四环素的平衡吸附容量达到42 mg g-1，远高于纯PSF膜的13 mg g-1，表明MOF-808提供了主要的吸附活性位点。
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拟合分析显示，吸附过程更符合准一级动力学模型，表明四环素的去除主要通过物理吸附机制。初始阶段的快速吸附以及后续达到的稳定分离状态，共同证明了MOF-808不仅作为高效的吸附剂，其形成的多孔结构也为水分子提供了额外的传输通道，实现了吸附与选择性输运的双重作用。
综上所述，该研究成功开发了一种基于MOF-808/PSF的混合基质纳滤膜。研究表明，适量掺入MOF-808（1 wt%）能显著提升膜的亲水性、孔隙率和机械强度，从而在获得高水通量的同时实现对抗生素四环素的高效截留，并赋予膜优异的抗污染性能。吸附研究进一步证实了MOF-808在污染物吸附和选择性传输方面的双重功能。该工作不仅为克服传统纳滤膜的“渗透性-选择性”权衡瓶颈提供了有效的材料策略，也为设计用于处理含抗生素等药物污染废水的下一代高性能抗污染纳滤膜提供了重要见解和实践基础。尽管本研究主要针对单一模型污染物，但其展现出的性能优势和机理为处理成分更复杂的实际废水指明了有潜力的研究方向。
