《Next Materials》：Cellulose acetate-graphene oxide loose nanofiltration membrane as pre-treatment for salt rejection in a seawater: Synthesis, characterization and fabrication
编辑推荐：
全球淡水短缺日益加剧，对高效海水淡化技术的需求不断上升，然而传统醋酸纤维素（CA）膜受限于亲水性不足与盐截留性能欠佳。研究人员将CA与氧化石墨烯（GO）复合，制备CA/GO复合膜，并在海水疏松纳滤（loose nanofiltration）体系中评估其盐截留表
全球淡水短缺日益加剧，对高效海水淡化技术的需求不断上升，然而传统醋酸纤维素（CA）膜受限于亲水性不足与盐截留性能欠佳。研究人员将CA与氧化石墨烯（GO）复合，制备CA/GO复合膜，并在海水疏松纳滤（loose nanofiltration）体系中评估其盐截留表现。该膜通过相转化（phase inversion）法合成，GO掺量设为0.5、1.0和1.5 wt%，CA基体浓度设为15和25 wt%。原料及膜的结构、化学与形貌经傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜-能谱（FESEM-EDX）及水接触角测试表征。结果显示，CA 15 wt%/GO 1 wt%膜综合性能最优，水通量达11.80 L/m2·h，盐截留率最高为37.75%，对应渗透液总溶解固体（TDS）23033 mg/L，同浓度CA膜中接触角最低（74.12°），亲水性增强。XRD证实引入GO后结晶度提升（最高58.08%），FESEM显示GO在CA基体中分散均匀。上述结果表明，可控掺入GO可显著提升CA膜亲水性与盐截留效率，CA/GO复合材料可作为可放大海水疏松纳滤预处理平台。
研究背景方面，清洁饮用水获取已成为二十一世纪关键挑战，人口与城市化增长及气候变化使淡水资源承压，海水虽占地球水量约97%但高盐（33000–37000 mg/L TDS）无法直接利用。膜法中超滤（UF）与微滤（MF）常作预处理去除悬浮物与胶体，纳滤（NF，孔径1–10 nm）介于UF与反渗透（RO）之间，对二价/多价离子截留较强而对一价离子（Na?、Cl?）较通透；传统CA膜因亲水性中等、易压实与生物污染而受限。近年纳米材料改性中，氧化石墨烯（GO）凭二维片层、含氧官能团（-OH、-COOH、环氧基）、高比表面积与力学强度受关注，但GO浓度、CA含量与NF性能间关系在真实海水条件下仍缺乏系统映射。该研究发表于《Next Materials》，旨在通过相转化法制备CA/GO复合膜，以疏松纳滤预处理定位部分降低天然海水TDS，而非宣称RO级脱盐。
关键技术方法上，研究人员采用改进Hummers法以石墨粉合成GO，经离心洗涤至中性；以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，超声分散GO后加入CA（15或25 wt%）于70°C搅拌制铸膜液，刮涂150 μm湿膜，室温挥发60 s后水浴相转化成膜。表征端使用FTIR（ATR模式，500–4000 cm?1）判官能团，XRD（Cu Kα，5°–60°）算结晶度与晶粒尺寸，FESEM-EDX观察形貌与元素分布，静态接触角（sessile drop，3–5 μL去离子水）评亲水性；性能端用死端搅拌超滤池（有效面积13.4 cm2，3 bar，100 rpm，天然海水原液TDS 37000 mg/L，进样前去离子水预压30 min）测水通量JV与盐截留率R=(1-Cp/Cf)×100%。
研究结果部分，3.1 FTIR研究显示GO在3200–3400 cm?1有O–H宽峰、1720–1740 cm?1有C=O羧基峰、1050–1220 cm?1有C–O环氧峰；纯CA在1740 cm?1有酯羰基、1000–1260 cm?1有C–O–C、3200–3500 cm?1有O–H。复合膜未现新峰但O–H随GO增多而宽化红移，证CA与GO间以氢键物理作用为主，利于GO均匀分散。3.2 XRD研究中GO在2θ=15.82°（d=5.6 ?，晶粒3.22 nm，结晶度22.45%）；复合膜主峰移至42.20°–43.79°，原GO峰消失，证GO片层在CA中剥离封装。CA15系列结晶度随GO从0.5到1.0 wt%升至58.08%后于1.5 wt%降至45.02%；CA25系列在GO1.0 wt%达峰47.60%，证1.0 wt%为成核有序最优，过量GO因π–π堆叠团聚降结晶度。3.3 FESEM-EDX显示合成GO为皱褶二维片层；复合膜呈非对称皮-指状孔结构，GO0.5 wt%表面平滑，1.0 wt%粗糙度增，1.5 wt%现局部团聚。EDX表明纯GO含C 43.84%、O 24.22%及痕量S/K/Si/Al；复合膜C升至75.74–80.36%、O降至19.16–23.99%，Al/K/S降低证洗涤除杂，O随GO掺量系统在CA15系列上升，定量证GO体相嵌入。3.4 水接触角所有膜<90°，CA15系列从75.41°（GO0.5）降至71.13°（GO1.5），CA25系列从79.64°降至75.04°，CA15-GO1.0为74.12°；高CA因网络密实埋没含氧基团致角偏大，GO含氧官能团经氢键吸水使角降。3.5 性能评价中CA15-GO1.0通量11.80 L/m2·h、截留37.75%（渗液TDS 23033 mg/L）为同CA浓度最优；CA15-GO1.5因团聚形成缺陷通道致通量异常高、截留跌，证过量GO不利。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出该工作新颖性不在首次用GO改性CA，而在真实天然海水疏松纳滤条件下给出CA浓度（15/25 wt%）×GO掺量（0.5/1.0/1.5 wt%）的组成-结构-性能地图。GO经氢键兼容CA、中等掺量成核提结晶、片层通道辅输水且含氧基增亲水，但>1.0 wt%趋团聚毁选择性。最佳组成CA15-GO1.0平衡润湿性、形貌、通量与表观TDS截留，可作RO前处理部分降荷；未来需补测拉伸强度与断裂伸长以证长期耐压性。结论为：调控GO掺入CA膜经相转化可显著增强亲水与盐截留，CA/GO复合膜是面向海水疏松纳滤预处理可行且可放大的平台。
