Janus纳米过滤膜的开发和优化，用于海水淡化过程中同时去除二价阳离子和阴离子

《Desalination》：Development and optimization of Janus nanofiltration membranes for simultaneous removal of divalent cations and anions in water desalination

Janus纳滤膜通过引入小分子胺MAPA和磺酸基添加剂m-ABS优化双电荷分离层，采用两次界面聚合法实现Mg2?和SO?2?协同脱除率超96%，水通量达6.5 L·m?2·h?1·bar?1，抗污染性能优异，为海水淡化提供新策略。

　　本研究聚焦于开发一种新型的纳滤膜，这种膜能够同时去除二价阳离子和阴离子，从而提高海水和苦咸水淡化效率。传统单电荷纳滤膜由于其单一的电荷特性，只能有效去除一种类型的离子，而无法实现对二价离子的全面截留。因此，针对这一局限性，研究团队设计并制备了具有双电荷选择层的Janus纳滤膜。这种结构设计使得膜表面同时具备正负电荷，从而通过Donnan排斥效应实现对二价阳离子和阴离子的高效去除。这一创新性设计不仅提升了膜的分离性能，还为大规模生产和实际应用提供了新的思路。

在实际应用中，海水和苦咸水中含有多种离子，如钾离子（K?）、钠离子（Na?）、钙离子（Ca2?）、镁离子（Mg2?）、硫酸根离子（SO?2?）和氯离子（Cl?）。这些离子的存在对水质净化提出了更高的要求。纳滤技术作为一种高效的膜分离手段，通过孔径筛分和Donnan效应能够有效去除二价离子。然而，传统膜材料在性能上存在一定的局限性。例如，负电荷膜在去除多价阴离子方面表现优异，但对二价阳离子的截留效果较差；相反，正电荷膜则能够有效去除二价阳离子，但在去除阴离子方面存在不足。这种性能上的取舍限制了纳滤膜在全面脱盐领域的应用，因此开发能够同时去除二价阳离子和阴离子的纳滤膜成为研究的重点。

Janus纳滤膜的结构设计恰好解决了这一问题。Janus膜是一种具有异质结构的膜材料，其表面呈现出不同的物理化学特性。在本研究中，通过一次和两次界面聚合（IP）工艺，成功制备了具备正负双电荷选择层的Janus纳滤膜。具体而言，研究团队引入了3-甲基氨基丙胺（MAPA）作为小分子水相单体，并结合3-氨基苯磺酸（m-ABS）作为水相添加剂，同时使用聚乙烯亚胺（PEI）和1,3,5-苯三甲酰三氯（TMC）作为主要反应物。MAPA由于其快速扩散和对TMC的优先反应特性，能够在膜的一侧形成富含羧基的负电荷层，而PEI则因其大分子结构和丰富的氨基官能团，能够在另一侧形成以氨基为主的正电荷层。这种结构的结合使得膜在截留二价离子的同时，还能保持较高的水通量。

为了优化膜的性能，研究团队采用了响应面法（RSM）进行实验设计。通过调整MAPA与PEI的比例、TMC的浓度、固化温度和时间等关键参数，成功获得了具有优异截留性能和高水通量的Janus纳滤膜。实验结果显示，所制备的膜对MgCl?和Na?SO?等代表性二价盐的截留率均超过了96%，同时水通量也达到了6.5 L·m?2·h?1·bar?1以上。这些数据表明，该膜在分离性能上具有显著优势，能够满足实际海水和苦咸水淡化的需求。

此外，m-ABS的引入对膜的性能提升起到了重要作用。作为一种功能性添加剂，m-ABS不仅改善了膜的亲水性，还增强了其抗污染能力。亲水性的提升有助于减少膜表面的污染，提高膜的运行稳定性。抗污染性能的增强意味着膜在长期使用过程中能够保持较高的水通量和截留率，从而延长膜的使用寿命，降低运行成本。这些特性对于实际水处理系统来说至关重要，因为膜污染是影响膜性能和使用寿命的主要因素之一。

研究团队还对膜的运行稳定性进行了测试，结果显示，所制备的Janus纳滤膜在连续运行80小时后仍能保持良好的性能。这一结果表明，该膜具有较高的耐久性和稳定性，能够在复杂的水质条件下长期工作。相比之下，传统纳滤膜在运行过程中容易因污染或性能衰减而需要频繁更换，这不仅增加了成本，还可能影响水处理的连续性和效率。因此，Janus纳滤膜的稳定性优势使其在实际应用中更具竞争力。

在制备过程中，研究团队采用了两种不同的IP工艺：一次和两次。通过对比这两种工艺制备的膜，发现它们在形态、表面化学组成、孔径、电荷特性、水通量和溶质截留率等方面存在显著差异。一次IP工艺制备的膜在结构上更为均匀，而两次IP工艺则能够进一步优化膜的分层结构，提高其选择性和分离效率。这种对比研究为后续的工艺优化提供了重要的理论依据和实验支持。

为了全面评估膜的性能，研究团队采用了多种表征手段。扫描电子显微镜（SEM）用于观察膜的微观结构，从而了解其分层情况和孔隙分布。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）则用于分析膜的表面化学组成，确认MAPA和m-ABS在膜中的分布和反应情况。此外，接触角测量仪用于评估膜的亲水性，而Zeta电位分析仪则用于测定膜的表面电荷特性。这些表征手段为研究团队提供了丰富的数据支持，帮助他们深入了解膜的结构和性能之间的关系。

在分离性能方面，研究团队对膜进行了系统的测试，包括纯水通量、代表性无机盐的截留率、抗污染性能和长期运行稳定性。实验结果表明，Janus纳滤膜在这些测试中均表现出优异的性能。纯水通量的提高意味着膜在单位时间内能够处理更多的水，从而提高水处理效率。同时，高截留率表明膜能够有效去除水中的二价离子，保证出水的低盐含量。抗污染性能的增强则意味着膜在实际应用中能够减少堵塞和性能衰减的风险，延长使用寿命。而长期运行稳定性测试的结果进一步证明了该膜在复杂水质条件下的适用性。

与传统方法相比，本研究提出了一种新的Janus纳滤膜制备思路。传统的膜制备方法往往依赖于单一的电荷特性，难以实现对二价离子的全面去除。而Janus膜通过结合正负电荷特性，实现了对二价离子的高效截留，同时保持了较高的水通量。这种设计不仅提高了膜的分离效率，还为后续的膜材料开发提供了新的方向。

此外，研究团队还对MAPA和m-ABS在Janus膜制备中的应用进行了探讨。MAPA作为一种小分子水相单体，其快速扩散和优先反应特性使得它在膜的形成过程中起到了关键作用。而m-ABS作为水相添加剂，不仅改善了膜的亲水性，还增强了其抗污染能力。这两种材料的组合为Janus膜的性能提升提供了新的可能性，同时也为后续的膜材料研究提供了实验依据。

在实际应用中，海水和苦咸水淡化是解决全球淡水资源短缺的重要手段之一。然而，传统纳滤膜在性能上的局限性限制了其在这一领域的广泛应用。Janus纳滤膜的出现为这一问题提供了新的解决方案。其双电荷结构不仅能够实现对二价离子的全面去除，还能够保持较高的水通量，从而提高水处理效率。此外，该膜的运行稳定性也得到了充分验证，表明其在实际应用中具有较高的可行性。

研究团队的这一工作不仅在理论上拓展了Janus膜的研究领域，还在实践中为海水和苦咸水淡化技术提供了新的思路。通过引入MAPA和m-ABS，他们成功开发了一种新型的Janus纳滤膜，其性能在多个方面均优于传统膜材料。这种膜的制备方法简单、可扩展性强，为未来的大规模生产和实际应用奠定了基础。同时，该研究也为膜材料的进一步优化提供了重要的参考价值，推动了纳滤技术在水处理领域的应用和发展。

总的来说，本研究通过创新性的Janus膜设计，成功解决了传统纳滤膜在去除二价离子方面的局限性，为海水和苦咸水淡化技术的发展提供了新的方向。所制备的膜在分离性能、运行稳定性和抗污染能力等方面均表现出显著优势，有望在未来成为水处理领域的重要技术手段。研究团队的贡献不仅在于开发了一种新型膜材料，还在于探索了其制备工艺和性能优化路径，为后续研究提供了宝贵的经验和理论支持。