新闻资讯
NEWS CENTER
20
2026
-
01
郑州大学张亚涛、朱军勇《自然·通讯》：新型大环组装膜突破高盐有机废水处理瓶颈
作者：
工业废水，特别是来自纺织、石油化工和制药等行业的高盐度有机废水，由于同时含有高浓度有机污染物和无机盐，传统处理工艺面临严峻挑战。膜分离技术虽能实现有机物与盐分的精确分离，推动水回用与资源回收，但现有聚酰胺基膜对有机物与无机离子的分离选择性有限，亟待开发具有更大、更连通自由体积结构的新一代膜材料。
近日，郑州大学张亚涛教授、朱军勇副教授和莱斯大学Menachem Elimelech教授合作，提出了一种新型大环组装膜，为这一难题提供了创新解决方案。研究团队采用四醛基修饰的杯芳烃（TACA）作为大环单体，通过单向扩散辅助界面聚合（UDIP）技术，成功制备出结构疏松的纳滤膜。该膜展现出高达63.8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹的水渗透性和卓越的染料/盐选择性及结构稳定性，在处理高盐度有机废水方面潜力巨大。相关论文以“Macrocycle-assembled membranes for high-salinity organic wastewater treatment”为题，发表在Nature Communications上。
研究团队设计并合成了具有三维空腔和适中反应活性的TACA单体。图1示意了通过UDIP工艺制备TACA-MPD膜的过程：亲脂性的TACA被精确固定在有机相边界，与水相中的二胺单体（MPD）在凯夫拉水凝胶表面发生聚合。这种可控的聚合环境得益于凯夫拉水凝胶作为“界面反应器”的稳定作用，它不仅能稳定界面，还能通过静电和氢键作用调控单体扩散，从而形成结构均匀的薄膜。
为了探究TACA与MPD的聚合能力，研究首先在自由水-二氯甲烷界面进行了界面聚合实验。图2展示了由此形成的独立TACA-MPD薄膜。该薄膜完整连续，扫描电镜图像显示其由尺寸为10-15 nm的致密结节紧密堆积而成。透射电镜图像进一步证实了薄膜内部存在中空、气泡状的结节结构，这种三维均匀分布的结构有利于水分子的快速传输。原子力显微镜测量表明，薄膜厚度可通过反应时间在8至22 nm范围内精确调控。
图3详细展示了以凯夫拉水凝胶为基底，通过UDIP制备的TACA₀.₅MPD₀.₅-3复合膜的形貌与特性。与平滑的凯夫拉基底相比，复合膜表面呈现致密均匀的形貌，厚度约为90 nm。红外光谱和X射线光电子能谱分析证实了希夫碱缩合成功形成了亚胺键（C=N）。膜表面呈现疏水性，但其内部丰富的含氧官能团（如-OH）通过氢键作用增强了与水分子的相互作用。此外，膜表面在宽pH范围内均带负电，这有助于通过静电排斥高效截留阴离子染料分子。
在分离性能测试中（图4），TACA₀.₅MPD₀.₅-3膜表现出优异的水通量和染料截留率。对于刚果红染料的截留率高达99.8%，而对NaCl的截留率仅为1.1%，实现了高效的染料/盐分离。即使在高达30 g/L的盐浓度下，该膜仍能保持对染料的稳定高截留率。进一步的渗滤实验和长期稳定性测试表明，该膜在降低能耗和水耗方面显著优于商业纳滤膜，并且在48小时连续运行中性能稳定，抗污染能力强。
为了从分子层面理解其高性能机制，研究团队进行了理论模拟（图5）。密度泛函理论计算表明，水分子通过TACA的疏水空腔传输在能量上是有利的。分子动力学模拟则直观展示了膜的三维互联多孔微结构，这种结构促进了水分子和盐离子的快速传输，同时有效阻碍了染料分子的渗透，从而实现了高效筛分。
这项研究开发的大环组装膜，巧妙结合了TACA单体的独特结构优势和UDIP工艺的精确控制能力，成功构建了具有高渗透性、高选择性和高稳定性的分离膜。与传统的聚酰胺纳滤膜相比，该膜在高效分离有机物与盐分的同时，有望降低分离过程的能耗与压力需求，为高盐度有机废水的资源化处理与回用提供了一条可持续且经济高效的新途径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5-6nHyUHM_zMZlajUPPZXA
相关新闻
