中文 EN

新闻资讯

NEWS CENTER

首页

2025

【科研进展】让小分子有机物脱盐更高效：电荷空间分布对纳滤膜分离性能的影响

作者：

高盐有机废水中复杂有机组分（酯、酚、醛、难降解杂环有机物等）和无机盐的高效分离是实现“零排放”和资源循环利用的关键。纳滤（NF）膜作为一种高效的分离技术，可有效分离有机化合物和单价盐。然而，由于荷电性，其通常会对二价盐有着较强的Donan效应，导致对二价盐的截留率过高，使得有机组分和无机盐分离选择性不佳。在前期工作中，我们通过“蚀刻-溶胀-种植”策略，实现了PEI在荷负电分离层中的深度负载，从而构建了一种表面荷正电的混合荷电NF膜，有效促进了二价阴离子的透过，提高了小分子有机物/ Na2SO4的分离选择性。然而，该膜对二价阳离子依然截留率过高。

为进一步实现阴阳离子的高效同时透过，混合荷电NF膜需对其表现出较低的静电排斥作用，这要求膜具有整体电中性的特性。同时，还需避免荷电污染物在膜表面的沉积与聚集，以降低膜污染的风险。荷电镶嵌（CM）膜拥有正电荷纳米域和负电荷纳米域在水平分布上规则排列的结构，净表面电荷为零。在CM膜中，阴阳离子可分别穿过相间排列的相反电荷域而在透过侧重新结合，而非电解质无法透过膜，这种化学选择性使得膜对有机物和二价盐有着潜在的高分离选择性。同时，这种有着独特两性离子结构的电中性膜有望实现高抗污染性能。但是，CM膜的制备依赖于昂贵的材料和复杂的工艺流程，且难以得到孔径小于2 nm的结构，使得其在纳滤中应用受限。

针对上述背景，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室生物分离膜工程团队通过溶剂诱导多胺插层策略制备了具有水平电荷分布的混合荷电NF膜，提高了小分子有机物/二价盐的分离选择性。同时膜有着极佳的抗污染性能。

如图1所示，首先通过界面聚合 (IP) 制备了聚酯-聚酰胺 (PE-PA) 初生NF膜。随后，PE结构在碱性环境中水解以形成疏松的PA分离层。随后，使用乙醇作为介导溶剂充分溶胀疏松分离层，乙醇也可避免多胺和膜表面之间的静电相互作用，从而促进正电荷的多胺插层到负电荷的疏松分离层内，且不会形成额外的荷正电表层。最终，形成了具有水平电荷分布的混合荷电NF膜（图1b）。通过选择荷电密度和尺寸不同的多胺（图1a），以及对疏松分离层模板的孔径进行调整，可以精确控制正电荷域与负电荷域的比例，以使得膜表面净电荷为零。

图1 （a）多胺结构和尺寸；（b）通过模板刻蚀然后溶剂诱导多胺插层策略制备混合荷电NF膜的示意图；（c）分离层化学结构变化

分离层厚度（图2a）和内部N元素含量（图2b）变化结果表明，多胺实现了对整个分离层的插层改性，且并未形成额外的涂层，膜有着正负电荷域水平排列的结构。荷电性能测试结果表明，不同荷电密度的多胺可有效调节膜荷电性，得到整体近电中性的膜面（图2c、d）。孔径测试结果表明，多胺的插层有效缩小了膜孔径（图2e、f）。分子动力学模拟证实（图2g、h），这种水平电荷分布的结构有利于促进二价盐离子的跨膜运输。

图2 （a）分离层厚度;（b）膜XPS深度剖面c测得的N元素含量（0至20 nm的蚀刻深度）；（c） NF膜的官能团密度；（d）膜Zeta电位；（e）截留分子量（MWCO）；（f）孔径分布；（g）混合荷电膜中SO42-离子沿渗透方向随时间的分布；（h）混合荷电膜中SO42-离子沿渗透方向随时间的分布；蓝色：PEI链，红色：TA，灰色：PA。

如图3所示，这种水平电荷分布的结构可增强二价离子的传输，降低了膜对Na2SO4和MgCl2的截留率（图3a），多胺尺寸依赖的插层作用可有效降低膜孔径，从而膜对葡萄糖有着高截留率（图3b），性能远优于已报道的NF膜（图3c）。在处理真实高盐有机废水时，膜可实现 58.6% 的盐渗透率和 68.7% 的 COD 截留率（图3d），性能明显优于垂直电荷分布的Janus膜。此外，得益于两性离子的结构和光滑的膜面，即使面对超高浓度的污染物和焦化废水，也表现出了优异的抗污染性能（图3e-h）。

图3（a）NF膜对Na2SO4 和MgCl2的截留率；（b）NF膜的渗透性和对葡萄糖的截留率；（c）和现有NF膜对比；（d）与垂直电荷分布的Janus膜对比焦化废水处理性能；（e）NF膜对荷负电蛋白BSA的抗污染性能；（f）NF膜对荷正电蛋白溶菌酶的抗污染性能；（g）NF膜在焦化废水长期过滤过程中的渗透通量变化；（h）NF膜处理焦化废水时的抗污染指数。

本文为NF膜微结构和电荷分布调控以提高水处理性能提供了新见解，并强调了电荷空间分布在带电溶质精准分离中的重要性。本研究得到了国家自然科学基金（22278406）、国家重点研发计划（2021YFC3201401）和过程所前沿基础研究项目（QYJC-2023-10）的资金支持。相关研究成果以《Mix-charged Nanofiltration Membrane for Efficient Organic Removal from High-Salinity Wastewater: the role of charge spatial distribution》发表在Environmental Science & Technology（https://doi.org/10.1021/acs.est.4c10120），点击文末阅读原文可直达。

第一作者：任玉灵
2023年7月博士毕业于中科院过程工程研究所，导师罗建泉研究员，现就职于河南师范大学环境学院，主要研究方向为纳滤膜结构调控及其在环境水处理中的应用，以第一作者在SCI一区收录期刊共发表学术论文4篇，包括Environ. Sci. Technol 期刊2篇和 J. Membr. Sci. 期刊2篇。