《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Rice husk-derived bionanohybrid modified polyethersulfone nanofiltration membrane for enhanced antifouling properties and removal of pollutants from aqueous matrices
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摘要聚醚砜（PES）纳米过滤膜存在固有的疏水性，且渗透性与选择性地难以兼顾，这限制了其在去除多种污染物（盐类、重金属离子、染料）方面的效率。为解决这些问题，本研究提出了一种可持续的多功能生物纳米杂化材料——Mag/RHS/APTMS，该材料源自稻壳，可作为高效的PES生物纳米填料
摘要
聚醚砜（PES）纳米过滤膜存在固有的疏水性，且渗透性与选择性地难以兼顾，这限制了其在去除多种污染物（盐类、重金属离子、染料）方面的效率。为解决这些问题，本研究提出了一种可持续的多功能生物纳米杂化材料——Mag/RHS/APTMS，该材料源自稻壳，可作为高效的PES生物纳米填料。通过XRD和TEM技术测定，该杂化材料的平均粒径为12.8纳米，pH值为7时的ζ电位为-24.8毫伏。采用相转化法制备薄膜，其中生物纳米填料的添加量在0-1重量%之间变化。当添加0.5重量%的该填料时，水的接触角从83.2度降至53.1度，表面ζ电位变为-39.8毫伏，同时在0.4兆帕压力下纯水通量从45.8升/平方米·小时提高到88.5升/平方米·小时。最优性能的薄膜对Na?SO?的去除率可达85.1%，对Pb2?离子的去除率为91.6%，对甲基橙染料的去除率为93.7%。从机制上分析，这种优异性能得益于唐南排斥效应、配位络合作用以及静电排斥作用的共同作用，这一结论得到了ζ电位测量结果以及胺基功能化表面的化学特性的支持。此外，该薄膜还具备出色的抗污染性能，在BSA污染后仍能保持92.6%的通量恢复率，经过五次再生循环后性能依然稳定，且未检测到生物纳米填料渗出。本研究表明，将农业废弃物衍生的胺基功能化磁性生物纳米杂化材料整合到PES纳米过滤膜中，为提升水处理效果提供了一种可规模化且可持续的方法，不过未来还需要通过实际工业废水进行验证。
引言
工业废水中的无机盐、重金属离子和有机染料往往同时存在，这类水体污染带来了严重的环境问题。传统的处理方法往往难以同时有效去除多种类型的污染物，还会产生新的废弃物（Ghadhban等人，2024年）。纳米过滤膜，尤其是基于聚醚砜的膜，由于能够在较低操作压力下去除多价离子和中等分子量的有机物，因此被视为一种有前景的解决方案。然而，原始的PES膜存在固有的疏水性（水接触角大于80度）、渗透性与选择性难以平衡的问题，而且表面电荷密度不足，无法有效通过静电作用去除离子污染物（Yahia等人，2025年）。
将亲水性纳米材料引入聚合物基质是解决这些问题的有效策略。磁铁矿纳米粒子具有较高的比表面积、化学稳定性以及磁性响应特性，但容易发生聚集现象（Alsalhy等人，2018年）。在磁铁矿纳米粒子表面涂覆二氧化硅壳层，不仅可以改善其分散性，还能为后续功能化提供硅醇基团。遵循绿色化学理念，稻壳作为一种丰富的农业废弃物，含有大量的无定形二氧化硅。不过，将其作为专门用于纳米过滤膜改性的磁铁矿纳米粒子的壳层材料的研究还相对较少（Dzulhijjah等人，2026年）。
在表面引入氨基功能团（APTMS）可以增强材料的亲水性，使中性pH条件下的表面带有负电荷，同时还能提高其与PES基质的相容性（Motloutsi等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但目前仍存在一些关键的研究空白：首先，大多数研究都是针对单一污染物体系展开的，缺乏对多组分混合体系的系统研究，而在这种体系中，各种竞争性相互作用（如离子屏蔽、电荷屏蔽）会影响污染物的去除效果；其次，尚未同时研究由废弃物衍生的二氧化硅壳层、磁铁矿核心以及APTMS功能化在PES纳米过滤膜中的综合效应；第三，关于长期稳定性（超过100小时）、循环再生能力以及在多组分溶液环境下的抗污染机制，也鲜有相关研究（Abushawish等人，2026年）。
以往使用二氧化硅涂覆磁铁矿的研究大多依赖合成的二氧化硅原料，且尚未系统研究重金属离子与染料的同步去除问题（Chen等人，2025年）。虽然我们研究中各个组成部分已有单独的研究报道，但将稻壳衍生的二氧化硅、磁铁矿核心以及APTMS功能化结合起来用于PES纳米过滤膜改性，目前还尚未有过相关研究。本研究的创新之处在于：首先，将农业废弃物转化为二氧化硅的前体物质；其次，将该生物纳米杂化材料整合到PES纳米过滤膜中，实现盐类、重金属离子和染料的协同去除；最后，通过系统的单组分与多组分对比研究，揭示了不同的竞争性去除机制（Rong等人，2025年）。
为实现上述目标，本研究首先合成了Mag/RHS/APTMS材料，对其结构进行了表征，然后以0-1重量%的不同比例将其掺入PES纳米过滤膜中。随后，分别在单一组分和多组分条件下，测试了该薄膜对Na?SO?、MgSO?、NaCl、MgCl?等盐类，Pb2?离子以及甲基橙染料的去除性能。同时，还系统地开展了抗污染性能测试，包括浓度效应、pH值影响、长期稳定性测试以及循环再生测试。这些研究结果为理解废弃物衍生的磁性胺基生物纳米填料如何缓解渗透性与选择性之间的矛盾提供了机理上的见解。
为达成研究目标，本研究首先合成了Mag/RHS/APTMS材料，进而通过TEM、EDX、FE-SEM、ζ电位分析、VSM、FT-IR和XRD等技术对其结构进行了全面表征，之后以0-1重量%的比例将其引入PES纳米过滤膜中。同样地在单一组分和多组分条件下，评估了该薄膜对各类污染物的去除效果。此外，还系统研究了其抗污染性能，包括浓度效应、pH值影响、长期稳定性以及循环再生能力。这些研究结果进一步揭示了废弃物衍生的磁性胺基生物纳米填料缓解渗透性与选择性矛盾的机理，为开发高效、可持续的先进废水处理技术提供了理论依据，不过仍需通过实际工业废水进行进一步验证，以确认其实际应用价值。
内容节选
材料
本研究中使用的化学物质包括：盐酸（HCl，浓度37%，分子量为36.50道尔顿）、氨水（NH?OH，浓度25%，分子量为35.04道尔顿）、四水合氯化亚铁（FeCl?·4H?O，纯度99%，分子量为198.81道尔顿）、六水合氯化铁（FeCl?·6H?O，纯度98%，分子量为270.30道尔顿）、(3-氨丙基)三甲氧基硅烷（APTMS，纯度97%，分子量为221.37道尔顿）、聚醚砜（PES，分子量为58千道尔顿）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc，分子量为87.12道尔顿）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量为25千道尔顿）、硫酸镁（MgSO?，分子量为120.36道尔顿）、硫酸钠（Na?SO?；
合成生物纳米填料的表征
图1(a)展示了所合成的Mag、RHS、Mag/RHS以及Mag/RHS/APTMS样品的X射线衍射图谱。Mag样品的衍射图谱与标准的尖晶石铁氧体图谱一致（JCPDS编号为65-3107）。在2θ角度约为19.1°、29.9°、36.3°、44.1°、52.9°、56.9°和63.2°处出现的特征衍射峰，分别对应于(111)、(022)、(113)、(004)、(224)、(115)和(044)晶面，这进一步证实了该材料属于立方相尖晶石结构。RHS样品的衍射图谱
结论
本研究成功合成了一种可持续的多功能生物纳米杂化材料——Mag/RHS/APTMS，其平均粒径为12.8纳米，pH值为7时的ζ电位为-24.8毫伏。该材料被用作有效的生物纳米填料，用于改性聚醚砜纳米过滤膜。研究中发现，磁铁矿纳米粒子表面先涂覆了从稻壳中提取的无定形二氧化硅，然后再引入APTMS胺基功能团。仅需添加0.5重量%
作者贡献说明
索兰·卡马里：概念设计、数据整理、定量分析、资金获取、实验研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、研究指导、结果验证、可视化处理、论文初稿撰写、论文审阅与修改。阿夫萨内·沙赫巴齐：概念设计、数据整理、定量分析、资金获取、实验研究、方法设计、项目管理、资源协调、软件应用、研究指导、结果验证、可视化处理、论文初稿撰写、论文审阅
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
Soran Kamari|Afsaneh Shahbazi
伊朗洛雷斯坦大学自然资源学院环境科学与工程系，霍拉马巴德，邮编6815144316
