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2026

Desalination｜哌嗪衍生单体构筑高矿物/有机选择性纳滤膜：实现地表水净化的新策略

作者：

英文题目

Piperazine Derivatives Monomer-Based TFC Nanofiltration Membranes with Enhanced Mineral/Organic Selectivity for Efficient Surface Water Purification

哌嗪衍生单体构筑高矿物/有机选择性纳滤膜：实现地表水净化的新策略

期刊信息

期刊名称： Desalination

发表日期： 2026年8月4日

DOI： 10.1016/j.desal.2026.120620

摘要内容

薄膜复合纳滤（Thin-film composite nanofiltration, TFC NF）膜因具有低能耗、高分离效率和良好的污染物去除能力，被认为是饮用水深度处理的重要技术。然而，传统聚酰胺（polyamide, PA）纳滤膜通常存在水通量、有机物截留以及矿物盐透过之间的性能矛盾：致密结构虽然能够提高盐截留率，但同时限制水分子和有益矿物离子的传输，难以实现“去除有害有机物、保留适量矿物质”的健康饮用水生产需求。

本研究采用1,4-双(3-氨基丙基)哌嗪（1,4-bis(3-aminopropyl)piperazine, BAPP）作为水相胺单体，通过界面聚合法制备聚酰胺纳滤膜，并系统调节BAPP浓度以控制膜层形成过程。研究发现，BAPP浓度能够调控单体扩散与界面反应之间的平衡，进一步影响聚酰胺层的交联程度、孔径结构以及自由体积分布。优化后的BAPP-0.15膜表现出优异的综合性能，其水渗透率达到19.1 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，是商业NF270膜的约1.5倍，同时实现75.5%的溶解有机碳（DOC）去除率以及40.9的Ca²⁺/DOC选择性。研究证明，该策略能够在保持有机污染物去除能力的同时，提高矿物离子的选择性透过，为新型饮用水净化膜设计提供了新的思路。

研究背景和意义

天然水体中通常同时存在溶解有机碳（DOC）、腐殖质、新兴有机污染物以及Ca²⁺、Mg²⁺等矿物离子。传统水处理技术往往追求*程度去除污染物，但过度脱盐可能导致水中有益矿物质流失，因此如何实现有机污染物与矿物离子的*分离成为纳滤膜领域的重要挑战。目前，研究人员主要通过纳米材料复合、膜表面形貌调控以及界面扩散控制等方式改善纳滤膜性能，但这些方法仍存在材料兼容性差、制备复杂以及规模化应用困难等问题。近年来，通过改变水相胺单体结构直接调控聚酰胺层形成过程成为一种更加简单有效的方法。然而，目前能够同时实现*有机物截留和矿物离子保留的单体体系仍较少。本研究选择具有哌嗪核心结构和柔性氨丙基链段的BAPP作为新型单体，通过调节其浓度建立“单体扩散—界面反应—膜结构—分离性能”之间的关系，解决传统纳滤膜难以兼顾高通量、高有机物去除和矿物离子透过的问题。

实验步骤

研究首先以商业聚醚砜（PES）超滤膜作为支撑层，通过界面聚合方法制备BAPP-x系列薄膜复合纳滤膜。具体步骤如下：首先，将PES基膜浸泡于30 wt%的异丙醇溶液中振荡5分钟，随后使用超纯水清洗3次，以去除膜表面的保护剂。之后，将含有NaOH（0.4 wt%）和不同浓度BAPP（0.25、0.20、0.15、0.10 wt%）的水相溶液加入反应装置，使其完全覆盖PES膜表面，接触2分钟后排出多余水相，并利用气刀去除残余液体。随后，将含有0.1 wt%均苯三甲酰氯（TMC）的正己烷有机相加入膜表面，使其与BAPP发生界面聚合反应1分钟，形成聚酰胺选择层。反应结束后排出有机相，并将制备得到的膜置于60℃条件下热处理5分钟，最终获得BAPP-x系列TFC纳滤膜。所有膜样品在性能测试前均储存在超纯水中。

随后，研究采用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）等技术分析膜表面形貌、化学结构和交联程度。同时，通过纳滤测试系统评价膜的水渗透性能、盐截留性能以及有机物去除能力。实验分别采用NaCl、MgCl₂、CaCl₂、MgSO₄、Na₂SO₄盐溶液以及PEG溶液测试膜分离行为，并利用天然地表水进一步验证膜在实际水处理中的应用效果。

主要结果和结论

研究结果表明，BAPP浓度对纳滤膜结构和性能具有显著影响。随着BAPP浓度降低，膜的水渗透率明显提高，但过低浓度会导致膜网络完整性下降，从而降低有机污染物截留能力。其中，BAPP-0.15膜实现了性能平衡：水渗透率达到19.1 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，DOC和UV254去除率分别达到75.5%和74.2%，同时Ca²⁺/DOC选择性达到40.9。该膜能够有效去除腐殖质、蛋白质类有机物以及中等分子量芳香族有机物，同时允许部分矿物离子通过。因此，相比传统高致密聚酰胺膜，BAPP调控策略获得了一种更加适用于地表水净化的“选择性开放型”纳滤膜结构。

详细机理

BAPP调控膜性能的核心机制在于其对界面聚合动力学的影响。传统PIP/TMC体系由于反应速度快，容易形成高度致密的聚酰胺网络，而BAPP分子具有较大的哌嗪环结构、柔性氨丙基链段以及空间位阻效应，可以减缓单体扩散和界面反应速度。当BAPP浓度较高时，大量胺单体快速到达界面并与TMC反应，使聚酰胺层快速固化，但由于链段排列受阻，容易形成局部不均匀结构和较低自由体积。当BAPP浓度降低至0.15 wt%时，单体扩散与反应速度达到平衡，使聚酰胺链能够充分重排，同时BAPP自身的空间位阻阻碍链段过度紧密堆积，最终形成“高交联但较开放”的网络结构。分子动力学模拟进一步证明，BAPP-0.15膜具有约21.8%的自由体积分数，高于BAPP-0.25膜的14.2%，这种结构既提供连续水传输通道，又保持对较大有机分子的筛分能力。因此，BAPP浓度调控实现了从分子结构到宏观分离性能的*调节，为下一代高选择性纳滤膜设计提供了理论基础。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/eY094-hWMff0v7rn32Rf5g