原位接枝二氧化硅纳米粒子-聚酰胺纳米复合膜对废水中污染物的同步去除作用研究

《Materials Science and Engineering: A》：Impact of In-Situ Silica Nanoparticles-Grafted Polyamide Nanocomposite Membranes for Simultaneous Removal of Pollutants from Wastewater

本文系统比较了两种二氧化硅基薄层纳米复合膜（TFN-1/TFN-2）与原始聚酰胺膜在废水多污染物同步去除中的性能。研究表明，通过原位接枝功能化二氧化硅纳米粒子（Si-NPs）可显著提升膜亲水性、表面官能团密度及纳米粒子分散均匀性，其中TFN-2膜凭借更丰富的–OH/–COOH/–NH2基团和均匀结构，在保持90 L·m?2·h?1稳定通量下，对烃类、重金属离子（Pb2+/Co2+/Sr2+）和SO42?的截留率分别达≈98%、≈93%和73%，展现了尺寸排阻、静电排斥与吸附协同的高效分离机制。

　　

章节亮点

2.1 研究用试剂

所有试剂均直接使用，无需进一步纯化。除非另有说明，化学品均为分析级（Sigma-Aldrich）。使用的试剂包括：3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、均苯三甲酸（TA）、三聚氰胺（MM, C₃H₆N₆）、多巴胺、间苯二胺（MPD, C₆H₈N₂）、均苯三甲酰氯（TMC, C₆H₃(COCl)₃）、N,N′-二环己基碳二亚胺（DCC/DDC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF, HCON(CH₃)₂）和正己烷（C₆H₁₄）。烃类渗透物（乙醇、十六烷、异辛烷、戊烷）及重金属盐（硝酸铅、硝酸钴、硝酸锶）均购自Sigma-Aldrich。

二氧化硅纳米粒子合成（Si-PDA-MM）

称取约1.5 g二氧化硅粉末置于300 mL圆底烧瓶中，加入50 mL乙醇溶解。溶液超声处理60分钟至均质（图1）。逐滴加入约5 mL氨水以引发羟基键形成，生成Si(OH)₄。随后加入0.5 g聚多巴胺（PDA）至Si(OH)₄中，超声1小时后于70°C回流5小时。观察到溶液呈浅棕色后，加入0.5 g三聚氰胺（MM），继续回流12小时。最终产物通过离心分离，用乙醇洗涤三次，60°C真空干燥。

膜表征

利用扫描电子显微镜（SEM，Quattro S，20 kV加速电压）研究表面形貌。膜文本性质通过高分辨率X射线衍射仪（XRD，D8 Advance，Bruker，德国）表征，采用Cu Kα辐射（40 kV，40 mA，波长0.15418 nm），连续扫描模式，扫描速率5°·min^?1，范围3–90°，用于测定结晶度与无定形相。膜表面的官能团通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR，Nicolet iS20，Thermo Scientific）分析，扫描范围400–4000 cm^?1。

膜渗透性与分离效率测试

表1列出了研究中使用的污染物及其浓度，图4展示了研究使用的错流池测试装置（横截面积36 cm²）。在300 kPa压力下测定TFN膜的通量能力，其分离效率在室温下评估。过滤测试前，将膜置于测试池中，用2 L双蒸水预运行约8小时，以稳定膜性能。

基底改性

聚多巴胺和三聚氰胺官能团的引入显著提升了TFN-1膜的性能，而APTES接枝的TA-MM固定化则增强了TFN-2膜的功能性。如合成与改性部分所述，通过MPD和TMC的进一步表面修饰，两种膜的表面特性均得到强化。这些改进通过有效阻断污染物穿透路径，助力实现卓越的过滤性能。

结论

研究了两种多功能纳米复合膜TFN-1和TFN-2。通过将二氧化硅纳米粒子与聚多巴胺-三聚氰胺（TFN-1）和APTES-TA-MM（TFN-2）复合，显著增强了膜的亲水性。两种膜均表现出机械稳定性，耐压能力约300 kPa。得益于其表面特性，膜对Sr²⁺、Pb²⁺、Co²⁺和Mg²⁺等二价离子具有选择性去除能力。此外，膜表面的负电荷特性通过静电排斥机制有效助力离子分离。