掺杂Zn-Co纳米铁氧体的聚砜纳米过滤膜在废水处理中的应用

《Polymer Testing》：Zn-Co nanoferrites incorporated polysulfone nanofiltration membranes for wastewater treatment

水处理膜技术中Zn-Co纳米铁氧体掺杂聚砜（PSF）膜的制备与性能研究。通过湿相转化法制备不同掺杂浓度的Zn-Co纳米铁氧体/PSF混合基质膜，分析退火处理对膜化学结构、形貌、机械强度及重金属分离性能的影响。研究表明，退火处理显著改善纳米颗粒分散性，增强膜的水通量（最高达80 L·m?2·h?1·bar?1）和重金属（Hg2?、As3?） rejection效率（分别达90%、95%），同时提高机械强度。

　　### 膜技术在水处理中的应用与创新

在当前的全球环境中，确保人类生存的安全环境和清洁饮用水是亟需解决的重要问题之一。随着工业化和城市化的加速发展，水污染问题日益严重，这不仅威胁着生态系统的健康，也对人类的健康构成重大挑战。为应对这些挑战，科学家们不断探索和开发新的水处理技术，其中膜技术因其高效、环保和操作简便等优势，逐渐成为解决水污染问题的重要手段。特别是纳米材料掺杂的聚合物膜，由于其独特的结构和性能，被广泛应用于去除受污染水体中的重金属离子。

### 重金属污染的严重性与挑战

重金属污染是水体污染中最具危害性的一种，其来源多样，包括工业排放、农业活动以及生活废弃物等。镉、砷和铅等重金属因其毒性大、在环境中持久存在以及对生物体的潜在危害，成为重点研究对象。这些金属离子能够干扰生物体的生化过程和细胞功能，对人类健康造成严重影响。例如，即使在低剂量下，砷也可能干扰DNA修复和细胞呼吸，从而引发一系列健康问题。同样，铅的暴露与神经系统和发育障碍密切相关，而镉则可能导致肾功能损伤及其他健康问题。

因此，有效的工业废水处理和去除重金属污染成为当务之急。近年来，研究人员致力于开发新型材料和技术，以提高水处理效率，同时降低对环境的影响。膜技术因其能够选择性地透过水分子并保留金属离子，成为去除重金属污染的有效工具之一。

### 膜技术的优势与应用

膜技术在水处理中具有显著的优势，包括高效的分离性能、优良的过滤效果以及易于制备和操作等。例如，反渗透（RO）和纳滤（NF）技术能够分离微小的有机分子和无机盐。NF膜相比RO膜，具有更高的水通量和较低的操作压力，同时能够有效去除二价离子和低分子量有机物。这一特性使得NF膜在水处理领域具有广阔的应用前景。

膜技术的另一个重要优势是其选择性渗透能力。通过调节膜的结构和表面化学性质，可以实现对特定污染物的高效去除，同时保留重要的矿物质。这种选择性使得膜技术在水软化、重金属去除和其他水处理过程中具有独特的优势。此外，膜技术还能够减少化学试剂的使用，降低运行成本，提高水处理过程的可持续性。

### Zn-Co纳米铁氧体与PSF复合膜的开发

为了进一步提升膜技术的性能，研究人员开始探索将纳米材料与聚合物基质结合的方法。其中，Zn-Co纳米铁氧体（Zn_1-xCo_xFe₂O₄）因其独特的物理和化学性质，成为一种有前景的材料。Zn-Co纳米铁氧体具有良好的介孔结构、高比表面积以及优异的化学和热稳定性，这些特性使其在去除重金属方面表现出色。

在本研究中，通过湿相转化法将不同掺杂比例的Zn-Co纳米铁氧体纳米颗粒掺杂到聚砜（PSF）基质中，制备了混合矩阵膜。研究重点在于探讨纳米铁氧体退火处理对膜表面、分离性能和结构特性的影响。退火处理不仅能够改善纳米颗粒的分散性，还能增强其与PSF基质之间的相互作用，从而提升膜的整体性能。

### 实验方法与材料准备

实验中使用的材料包括铁（III）硝酸盐非水合物、钴（II）硝酸盐六水合物、锌硝酸盐六水合物、氨水溶液、乙醇、PSF聚合物和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。这些材料经过精确配比，用于合成Zn_1-xCo_xFe₂O₄纳米颗粒。合成过程采用水热法，通过控制反应条件，如温度、pH值和反应时间，能够生成具有特定结构和性质的纳米材料。

合成后的纳米颗粒经过退火处理，以进一步优化其物理和化学性质。退火温度设定为800°C，以确保纳米颗粒的晶化和稳定，同时避免过度聚集。退火后的纳米颗粒具有更均匀的分散性和更稳定的化学结构，为后续的膜制备提供了理想的填料。

### 膜的制备与表征

在膜的制备过程中，采用湿相转化法，将0.2克退火或未退火的纳米颗粒与12毫升DMF溶液混合，并在恒温条件下进行搅拌。随后，将混合液倒入玻璃板上，通过刮刀调整膜的厚度，并将其浸入水浴中进行相转化。完成相转化后，膜被取出并置于去离子水中浸泡，以增强其机械强度和去除残留溶剂。

制备的混合矩阵膜通过多种表征手段进行分析，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、光学显微镜、万能材料试验机（UTM）和孔隙率测试等。这些方法能够全面评估膜的化学结构、形态、机械性能、亲水性和微孔特性。

### FTIR分析与化学结构

FTIR光谱分析用于研究膜的化学结构和功能团的存在。结果显示，PSF膜的特征峰主要与硫氧化物（SO₂）和甲基（CH₃）基团有关。掺杂Zn-Co纳米铁氧体后，这些特征峰的强度和位置发生变化，表明纳米颗粒与PSF基质之间存在一定的相互作用。退火处理后的纳米颗粒表现出更清晰的FTIR峰，说明其表面化学性质得到了改善，从而提高了膜的亲水性和孔隙率。

### XRD分析与晶体结构

XRD分析用于确定纳米铁氧体的晶体结构和晶粒尺寸。结果显示，所有样品均具有立方尖晶石结构，且晶粒尺寸在29–45纳米之间。通过Scherer公式计算晶粒尺寸，进一步验证了纳米颗粒的均匀性和稳定性。退火处理能够改善纳米颗粒的分散性，减少其表面污染，从而提升膜的整体性能。

### 光学显微镜与形态分析

光学显微镜用于观察膜的表面形态和纳米颗粒的分布情况。结果显示，掺杂纳米颗粒的膜表面较为均匀，且未出现裂纹或破裂现象。退火处理后的纳米颗粒表现出更佳的分散性，减少了纳米颗粒之间的聚集，从而改善了膜的微观结构。此外，退火处理还可能影响膜的表面能和分散性，进而影响其在水处理中的性能。

### 机械性能与强度测试

机械性能测试通过万能材料试验机进行，以评估膜的拉伸强度、断裂伸长率和模量。结果显示，掺杂纳米颗粒的膜表现出更高的拉伸强度和模量，表明纳米颗粒的加入有效增强了膜的结构稳定性。退火处理后的纳米颗粒与PSF基质之间的界面结合更加紧密，从而提高了膜的机械性能。未退火的膜则可能因纳米颗粒的不均匀分布而出现应力集中，导致膜的机械强度下降。

### 亲水性与水吸收测试

亲水性测试通过接触角测量和水吸收实验进行。结果表明，掺杂Zn-Co纳米铁氧体的膜表现出更高的亲水性，接触角显著降低，说明膜表面的极性增强。水吸收实验进一步验证了膜的亲水性和孔隙率，表明纳米颗粒的加入提高了膜对水的吸收能力。退火处理后的纳米颗粒具有更清洁的表面，减少了表面污染，从而提升了膜的亲水性。

### 水通量与分离性能

水通量测试用于评估膜的渗透性能。结果表明，掺杂纳米颗粒的膜表现出更高的水通量，这可能与纳米颗粒的高孔隙率和增强的水-聚合物相互作用有关。退火处理能够改善纳米颗粒的分散性和界面结合，从而进一步提升膜的水通量。同时，膜的分离性能也得到了显著提高，特别是对重金属离子的去除效率。

### 重金属去除性能评估

重金属去除性能测试通过死端过滤装置进行，使用汞（Hg²⁺）和砷（As³⁺）作为代表性重金属离子。结果表明，退火处理后的膜表现出更高的重金属去除率，说明其结构和化学性质得到了优化。此外，研究还发现，As³⁺的去除率高于Hg²⁺，这可能与As³⁺的高电荷密度和较小的水合半径有关。Zn-Co纳米铁氧体的高比表面积和丰富的吸附位点也为其去除重金属提供了良好的基础。

### 研究结论与展望

综上所述，本研究通过掺杂不同等级的Zn-Co纳米铁氧体纳米颗粒，成功制备了具有优异性能的PSF混合矩阵膜。实验结果表明，纳米颗粒的加入显著提升了膜的亲水性、孔隙率和机械强度。退火处理进一步优化了纳米颗粒的分散性和界面结合，从而提高了膜的水通量和重金属去除效率。

未来，这些新型膜材料有望在工业废水处理、饮用水净化和其他水处理领域发挥重要作用。通过进一步优化纳米颗粒的掺杂比例和退火条件，可以进一步提升膜的性能，使其在实际应用中更加高效和稳定。此外，结合其他纳米材料或改性方法，可能会带来更多的性能提升和应用拓展。

本研究的成果不仅为膜技术的发展提供了新的思路，也为解决水污染问题提供了有效的解决方案。通过将纳米材料与聚合物基质相结合，可以开发出具有更高分离效率和更好机械性能的膜材料，为实现可持续的水处理技术奠定了基础。