由于工业化、气候变化、人口增长和不良的水资源管理，全球对清洁水的需求不断增长，这对人类健康和经济发展产生了毁灭性的影响[1]。为了解决水资源短缺问题，从纺织、石油化工和制药等高耗水行业回收废水具有重要意义[2]。在当前的循环经济框架下，含盐废水可以通过回收再利用于工业过程（例如，在纺织染色过程中重新使用回收的盐[3]、将回收的含盐水用于水力压裂[4]或重新引入制药发酵罐[5]）来实现价值化。这种方法可以将高盐度废水的工业处理转向可持续的水资源回收和资源再利用。
薄膜复合（TFC）膜用于纳滤（NF）过程，由于其高水渗透率、系统占地面积小、分离效率高和能源利用效果好，为含盐废水处理提供了实用的解决方案。最重要的是，它对单价盐具有较高的渗透率，对低分子量有机物的排斥能力强，从而在从含盐废水中回收有价值物质方面具有显著优势[6]。多年来，人们一直在研究不同的制造策略来改善膜表面性能。
目前，界面聚合（IP）是制造商用TFC膜（用于NF和反渗透（RO）膜）的基准技术。近年来，无溶剂改性的IP技术在TFC膜制造中受到了学术界的广泛关注，因为它们减少了与有害有机溶剂相关的环境影响[7]。在这种技术中，通常分散在有机溶剂中的酰氯单体被加热生成蒸汽，然后与浸有胺的基底反应形成交联的聚酰胺（PA）网络。这种创新方法能够制造出更薄的选择性层，从而提高膜的渗透率。
然而，使用传统的胺单体（如m-苯二胺和哌嗪）往往会产生高度交联的PA网络，导致强烈的盐和溶质排斥[8],[9]。这些特性不利于含盐水的回收[10]。因此，人们越来越关注使用廉价的、富含羟基的单体（如多元醇和多酚）来形成松散的聚酯（PE）结构[11],[12],[13]。除了高水渗透率外，研究表明PE TFC膜还具有更好的耐氯性和抗污染性能[14]。
实验室研究表明，将亲水性纳米材料引入TFC膜的选择性层可以提高其性能——特别是水渗透率和抗污染性能——相比传统TFC膜。氧化石墨烯（GO）是最常用的TFC膜改性纳米材料之一，因其二维结构可以减少团聚、易于化学修饰和具有优异的亲水性[16],[17],[18],[19],[20]。含有纳米材料的TFC膜也被称为薄膜纳米复合（TFN）膜。
由于其超薄结构，GO在制造具有快速水渗透性和改进表面化学性质的膜方面表现出良好潜力。例如，Seah等人[21]证明，在TFC膜中加入丙烯酸改性的GO可使纯水渗透率提高约25%，这归因于表面亲水性的改善和形成了更薄、高度交联的PA层。同样，Zhang等人[22]报告称，在IP过程中将羧基功能化的GO分散在水相中可以提高膜的润湿性，从而减轻脱盐过程中带负电荷的新科辛染料的表面污染。GO改性的膜表现出较低的通量下降（约5%），而NaCl回收率提高了15.3%。
使用GO作为中间层结构的TFN膜在增强PA选择性层的形成以及优化膜中的水传输路径方面也取得了显著改进[24]。2D GO的堆叠形成了纳米级通道，缩短了通过PA层的水传输路径（即“沟槽效应”），从而提高了水渗透率[25]。GO中间层还通过改善IP界面[26]、调节单体扩散[27]和增加纳米气泡限制[28]，促进了致密无缺陷的PA形成。此外，GO的大横向尺寸和高表面积使其能够在基底上均匀多层组装，为IP反应提供了稳定的中间层[29]。
尽管有这些优点，但在将GO作为中间层沉积时仍存在一些技术挑战。必须更好地理解基底、GO层和PA层之间的粘附力，因为弱的界面相互作用可能会在过滤过程中损害膜的整体性。提出的解决方案包括使用真空过滤来机械连接各层[30]，以及使用粘合剂材料（如聚乙烯醇（PVA）或多巴胺（PDA）来增强粘合[31]，尽管这些方法可能会增加水力阻力。另一种方法是功能化GO以提高其在膜制造过程中的分散性和界面稳定性[32]。
最近，基于生物分子的材料因其环保性和低二次污染风险而受到广泛关注。氨基酸——含有氨基（-NH?）和羧基（-COOH）的短链分子[34]——因其强亲水性和抗污染性能而特别有前景[35]。其中，精氨酸、谷氨酰胺和赖氨酸因其高功能化效率和多个亲水基团而常被使用[36],[37]。GO已经通过共价和非共价方法进行了功能化，其中共价亲核取代是最常见的方法。然而，许多程序需要多步反应和活化剂（如1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC），这对海洋生物有毒[38],[39]。为了支持可持续发展，本研究采用了Castellanos-Espinoza等人的方法[40]，通过简单的pH调节将GO与基于生物分子的材料共价功能化。Castellanos-Espinoza等人[40]表明，pH调节使氨基酸的氨基与GO上的含氧基团发生反应，形成稳定的共价键。这种方法允许在更环保的条件下将氨基酸接枝到GO上，同时保持高分散稳定性和与聚合物膜的兼容性。
2021年，人们探索了一种基于三甲基氯（TMC）单体蒸发的无溶剂IP方法作为更环保的TFC膜制造方法[7]。基于蒸汽的界面聚合（VIP）技术已经证明能够形成具有优异分离性能的超薄选择性层，显示出其在可持续TFC膜制造方面的潜力。在此基础上，我们的团队发表了关于使用VIP技术制备用于含盐水回收的PE TFC膜的研究[41]。所得PE TFC膜的水渗透率提高了11倍，达到28.27 L/m2·h·bar。尽管如此，其NaCl回收率仍约为83%，低于其他使用PE TFC膜进行含盐水回收的研究报告的回收率（通常超过90%[13],[42],[43]）。这表明，虽然VIP制造的PE TFC膜在提高水传输方面非常有效，但可能还需要进一步的结构修饰来提高盐回收性能，而不影响其高渗透率或排斥能力，特别是在需要平衡渗透率、污染物排斥和盐分传递的应用中。
本研究旨在使用VIP技术开发一种环保且高性能的TFN膜，用于含盐水回收。具体来说，它研究了使用葡萄糖作为绿色单体和经过氨基酸功能化的GO来制造无溶剂TFC膜。所得TFN膜将进行全面表征，以评估其表面化学性质和形态。还将评估其在从各种模拟废水（包括纺织、石油化工和制药废水）中有效回收含盐水的过滤性能，以证明所开发膜在实际含盐废水应用中的鲁棒性和多功能性。
