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具有“瞬态调控”功能的聚酯中间层助力纳滤膜高效去除抗生素

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水资源短缺与水体中微量有机污染物(如抗生素)的污染问题日益严峻。纳滤(NF)作为一种低压、高水通量的膜分离技术,在饮用水净化与废水深度处理领域展现出广阔前景。然而,传统薄层复合聚酰胺纳滤膜长期受制于"渗透性-选择性"权衡效应:提高脱盐率往往意味着水通量的大幅下降。近年来,在中间层调控界面聚合(IP)过程成为突破该瓶颈的有效途径,但常规中间层会作为永久性结构残留在膜内,引入额外水力阻力,部分抵消聚酰胺层减薄带来的通量增益。因此,开发兼具动力学调控功能与低阻力特征的新型中间层策略,对高性能纳滤膜的规模化制备至关重要。

基于以上研究背景,华北电力大学环境科学与工程系苑春刚/郭世伟团队在前期聚酯纳滤膜研究基础上(Desalination, 2024, 589: 117961; React. Funct. Polym., 2025, 216),首次提出了一种基于焦性没食子酸(PG)与均苯三甲酰氯(TMC)的瞬态聚酯中间层策略,用于调控哌嗪(PIP)-TMC界面聚合过程,实现抗生素的高效截留。相关研究成果发表在国际期刊《Separation and Purification Technology》(Enhancing nanofiltration performance via a transient interlayer during interfacial polymerization: improved rejection of representative antibiotics, DOI: 10.1016/j.seppur.2026.139515)。

研究团队发现,该PG-TMC中间层并非传统意义上的永久屏障,而是作为一种“临时调控支架”:一方面通过氢键锚定与物理位阻效应抑制PIP单体向支撑膜孔内的扩散(分子动力学模拟显示PIP自扩散系数降低约46%),压缩界面反应区;另一方面,在聚酰胺层形成后,该中间层在水环境中发生部分水解与结构解体,避免形成致密的永久性传质障碍。这一动力学抑制机制使得聚酰胺选择层显著减薄(从83 nm降至约60 nm)、表面更光滑(粗糙度Rq从33.3 nm降至25.6 nm),且孔径分布更均匀、缺陷密度大幅降低。


性能测试表明,优化后的膜(0.5 wt% PG)纯水渗透性从11.4提升至18.7 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹,增幅约64%,同时保持高Na₂SO₄截留率(95.0%)。更值得关注的是,由于孔径分布窄化与缺陷减少,膜对代表性抗生素的截留能力显著增强:头孢氨苄截留率从82.6%跃升至95.0%,四环素、青霉素G等药物截留率亦有明显提升。在长达32小时的连续错流运行中,膜性能保持稳定;循环污染-清洗实验证实,通量提升并未以牺牲抗污染性能为代价,改性膜展现出更优的通量恢复特性。



与常规永久性中间层(如MOFs、MXene、CNTs等纳米材料)相比,该瞬态中间层策略具有显著的成本与工艺优势:PG与TMC均为市售大宗化学品,无需复杂合成与纯化;浸涂工艺与现有界面聚合生产线完全兼容,无需额外设备投入,为高性能纳滤膜的规模化制备提供了低成本路径。



该研究得到国家自然科学基金(No. 22208091)、河北省自然科学基金(No. B2022502009)及中央高校基本科研业务费资助。第一作者为华北电力大学环境科学与工程系郭世伟副教授,通讯作者为苑春刚教授。


第一作者 郭世伟 博士

华北电力大学环境科学与工程系,副教授,硕士生导师。2021年毕业于中科院过程所万印华课题组,师从罗建泉研究员,主要从事分离膜材料和膜过程工艺的科研工作,包括超滤/纳滤/反渗透膜的制备和性能调控、智能响应纳滤膜的制备与应用、水处理和物料分离中的膜过程工艺研究。主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研项目,第一作者/通讯作者身份发表SCI论文30余篇,北京膜学会理事,燕赵人才A卡获得者。B站UP主,粉丝近万(账号名称:科研工作者郭老师);创办“环化生材”公众号,粉丝近万。

联系邮箱: guoshiwei1991@foxmail.com

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