《Membranes》：Optimization of 2D Ag-MBene-Modified Polyethersulfone Ultrafiltration Membranes for Enhanced Water Treatment Performance
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通过非溶剂诱导相分离（NIPS）技术制备了含有Ag-MBene纳米颗粒的改性聚醚砜（PES）超滤膜，并评估了其在三级处理污水（TSE）过滤中的应用。本研究旨在通过关联膜的形态、粗糙度、亲水性、孔隙率、渗透性、防污性能和污染物截留能力，建立对膜结构、性质与性能的
通过非溶剂诱导相分离（NIPS）技术制备了含有Ag-MBene纳米颗粒的改性聚醚砜（PES）超滤膜，并评估了其在三级处理污水（TSE）过滤中的应用。本研究旨在通过关联膜的形态、粗糙度、亲水性、孔隙率、渗透性、防污性能和污染物截留能力，建立对膜结构、性质与性能的综合理解。研究人员将Ag-MBene纳米材料以不同负载浓度掺入PES膜中，以增强膜的亲水性和防污特性。利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、接触角分析和孔隙率评估对膜样品进行了详细表征。添加Ag-MBene纳米材料后，膜呈现出显著的结构特征。SEM分析显示，在相对适中的纳米颗粒负载浓度下，膜的大孔形成增强且孔互连性提高。AFM分析进一步证实，掺入Ag-MBene颗粒后膜的粗糙度逐渐增加。接触角从81.2°（UF00）降至47.3°（UF1.5），表明改性膜的亲水性增强。UF0.5因优化的孔形态、改善的润湿性和均匀的纳米颗粒分散而表现出最均衡的综合性能。与原始膜相比，改性膜还表现出增强的通量性能、更高程度的可逆污染行为以及改善的化学需氧量（COD）/总悬浮固体（TSS）去除效率。方差分析（ANOVA）显示各种膜之间存在显著差异（p < 0.05），UF0.5配置因其均衡的结构和性能特征被确定为最佳膜。这些发现表明，膜形态、亲水性和纳米颗粒分散的均衡优化对于最大化超滤性能至关重要。
全球淡水短缺因工业发展、城市扩张和气候变化而日益加剧，废水回用成为缓解水资源压力的关键策略。膜分离技术凭借高分离效率、操作简便等优势在污水处理领域广泛应用，其中超滤（UF）膜可在低压下高效去除悬浮物、有机物和微生物，特别适合三级污水处理。然而，膜污染导致的通量下降、能耗增加和膜寿命缩短是限制其长期运行的主要瓶颈。聚醚砜（PES）膜因热稳定性和机械强度优异而普遍使用，但其天然疏水性易加剧污染物吸附和不可逆污染。纳米材料改性被认为是改善膜亲水性和抗污染能力的有效途径。MBene作为一种新兴的二维过渡金属硼化物，具有层状结构、高表面反应活性和优良亲水性，银纳米颗粒的引入还能赋予抗菌功能。然而，Ag-MBene在PES超滤膜中的应用尚未见系统报道，且现有研究多集中于单一性能提升，缺乏对膜结构-性质-性能关联的整合分析，也较少引入统计验证方法。因此，本研究旨在通过非溶剂诱导相分离（NIPS）法制备不同Ag-MBene负载量的PES超滤膜，系统关联膜的形态、粗糙度、亲水性、孔隙率、渗透性、抗污染性能和污染物截留效果，并利用单因素方差分析（ANOVA）确定最优负载量，为膜材料优化提供全流程的理论依据。
研究人员制备了Ag-MBene负载量分别为0、0.1、0.3、0.5、1.0和1.5 wt.%的PES超滤膜（编号UF00、UF0.1、UF0.3、UF0.5、UF1.0、UF1.5），并用三级处理污水（TSE）作为过滤介质评价其性能。结果表明，适量Ag-MBene的加入显著提高了膜的亲水性、孔隙率、孔互连性、渗透通量、通量恢复率及COD/TSS去除率，而过量负载则因纳米颗粒团聚和铸膜液黏度增大导致孔隙堵塞和结构不稳定。其中UF0.5膜综合性能最优，纯水通量为280 LMH，通量恢复率（FRR）为86.9%，COD去除率为87.6%，TSS去除率为94.2%。ANOVA结果显示不同膜配置间的平均通量、FRR、COD去除率和TSS去除率均有显著差异（p < 0.05），证实了Ag-MBene负载量对膜性能具有统计学影响。该研究首次将膜表征、过滤性能评价和ANOVA统计验证整合在统一框架内，建立了一种系统筛选最佳纳米材料负载量的方法，对开发高效抗污染超滤膜具有重要指导意义。
主要关键技术方法包括：通过NIPS法制备Ag-MBene/PES共混超滤膜；采用扫描电子显微镜（SEM）观察表面和断面形貌，原子力显微镜（AFM）测定表面粗糙度，能量色散X射线光谱（EDS）分析元素分布，傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征化学结构，静态接触角测量评价亲水性，称重法测定孔隙率，Guerout–Elford–Ferry方程估算平均孔径；采用错流过滤系统依次进行纯水通量测试、TSE污染测试和DI水清洗恢复测试，据此计算通量恢复率、可逆/不可逆污染比例；按标准方法测定COD和TSS去除率；使用单因素方差分析（ANOVA）检验膜间性能差异的统计显著性。TSE水样取自阿联酋沙迦市政污水处理厂三级处理出水。
3.1 SEM Analysis：SEM观察显示，Ag-MBene的引入使膜表面形成更丰富的大孔和孔互连结构，UF0.5具有最均匀、连通的孔网络；过高负载时，铸膜液黏度增加导致膜孔塌陷和致密区域出现。
3.2 AFM Analysis：AFM测量表明，表面平均粗糙度（Ra）随Ag-MBene负载量从8.27 nm（UF00）逐步增加到19.99 nm（UF1.5），但UF0.5的Ra仅为14.24 nm，其最佳性能并非源自最大粗糙度，而是多种因素的平衡。
3.3 FTIR Analysis：FTIR光谱显示PES的特征吸收峰基本保留，Ag-MBene仅引起峰强度和透射率的微小变化，说明纳米颗粒与聚合物之间主要为物理相互作用，未破坏PES的化学结构。
3.4 EDS Analysis：EDS元素图证实C、O、S为膜的主要元素，Ag信号较弱但元素分布图显示其在膜中空间分布；UF0.5中Ag分布较均匀，高负载时出现局部团聚。
3.5 Contact Angle Analysis：接触角从UF00的81.2°降至UF1.5的47.3°，表明改性膜亲水性提高；但UF1.5接触角最低却并非最佳膜，说明亲水性不是决定性能的唯一因素。
3.6 Porosity and Pore Structure Analysis：孔隙率随Ag-MBene添加而增加，但过高负载导致结构不稳定和孔堵塞；有效的孔互连和结构连续性比单纯高孔隙率更重要。
3.7 Mean Pore Size Analysis：基于Guerout–Elford–Ferry方程计算的平均孔径显示，UF0.5具有最大有效孔径，与SEM观察到的连通孔结构及高渗透性一致。
3.8 Flux and Fouling Performance：纯水通量随负载量先升后降，UF0.5通量最高（280 LMH）；污染实验表明改性膜的FRR显著提高且不可逆污染降低，但高负载时污染加剧。
3.9 COD and TSS Removal Performance：UF0.5的COD去除率为87.6%，TSS去除率为94.2%，优于未改性膜；分离机制由单纯尺寸筛分转变为吸附-筛分协同作用。
3.10 Statistical Analysis：ANOVA表明不同膜之间的平均通量、FRR、COD去除率和TSS去除率存在显著差异（p < 0.05），验证了膜性能随Ag-MBene负载量的显著变化。
3.11 Integrated Performance Assessment：综合渗透性、抗污染性、通量恢复、污染物截留、亲水性、孔隙率和结构稳定性等指标，UF0.5在所有配置中表现最均衡，被确定为最优膜。
3.12 Proposed Fouling Mechanism：根据表征与过滤结果提出污染机制：未改性膜因疏水性强和孔互连性差而遭受严重不可逆污染；改性后膜表面形成水化层，减弱污染物附着，且连通孔结构降低水力阻力，使污染倾向可逆；过量纳米颗粒则因团聚和粗糙度增加而加剧污染。
讨论部分指出，Ag-MBene改性PES膜的性能提升与负载量呈非线性关系，最佳效果取决于膜亲水性、孔形态、孔隙率、表面粗糙度、纳米颗粒分散和结构稳定性的协同优化。研究还强调，银离子溶出和长期运行稳定性尚未评估，未来应使用电感耦合等离子体发射光谱或质谱（ICP-OES/ICP-MS）测定银释放，并进行长期循环过滤实验以评估膜
