具有极高耐酸碱性和优异防污性能的全芳香族聚氨酯纳滤膜，适用于纺织废水处理

《Journal of Membrane Science》：Fully aromatic polyurea nanofiltration membrane with resistance to extreme pH and enhanced antifouling property for textile wastewater treatment

聚脲纳滤膜通过界面聚合法以BDSA和TDI制备，具有优异的极端pH稳定性和抗污染性，纯水通量达90.8 L·m?2·h?1·bar?1，对染料DR23脱除率98.9%，同时低盐脱除率（Na?SO? 12.6%，NaCl 2.1%）。15天极端pH浸泡后性能保持稳定，显著优于商用NF270膜，且在pH 2.0、6.6、13.0下抗污染性（FDR<44.6%）和再生能力（FRR>88.6%）突出，为印染废水零液体排放提供新方案。

　　在当前全球水资源日益紧张的背景下，纺织工业作为高耗水和高污染排放的行业之一，其废水处理技术的创新显得尤为重要。传统的废水处理方法，如混凝、吸附、生物降解和高级氧化工艺等，虽然在去除染料方面具有一定的效果，但它们通常无法有效回收有价值的资源（如染料或无机盐），并且可能产生固态废弃物，成为二次污染的来源。因此，开发一种既能高效分离染料和盐分，又能应对复杂水质条件的膜技术成为研究热点。纳米过滤（NF）膜因其对离子和分子的分离能力，被认为是一种有前景的解决方案。然而，现有的聚酰胺（PA）NF膜在极端pH环境中存在酸碱耐受性和抗污染性能的局限性，影响了其在实际应用中的可靠性。

为了解决这些问题，研究团队开发了一种基于聚氨酯（PU）结构的新类型NF膜，通过界面聚合（IP）方法，使用2,2-联苯二磺酸（BDSA）作为水相反应物，以及甲苯二异氰酸酯（TDI）作为有机相反应物。这种膜的制备过程中，通过调节单体浓度，最终获得了具有优异性能的BDSA-TDI膜。该膜表现出极高的纯水通量（90.8 L m?2 h?1 bar?1），同时对常见的染料分子（直接红23）具有高达98.9%的截留率，而对NaCl和Na?SO?的截留率则较低，分别为2.1%和12.6%。这一特性使其能够在盐含量较高的纺织废水中实现高效的染料回收和盐分渗透。

此外，该膜在极端pH条件（0–13.0）下经过15天的浸泡测试后，仍能保持结构完整性，分离性能和表面特性几乎没有变化。这表明其具有出色的酸碱耐受性。相比之下，商用的酸性耐受聚醚砜（PES）膜在相同条件下表现出显著的性能下降，其FDR（通量下降率）超过45.6%，而FRR（通量恢复率）低于67.7%。这进一步证明了BDSA-TDI膜在极端pH条件下的优势。

膜的性能不仅体现在其分离能力上，还与其抗污染特性密切相关。在模拟纺织废水的测试中，BDSA-TDI膜在不同pH条件下（2.0、6.6和13.0）均表现出优异的抗污染性能，其FDR低于44.6%，FRR超过88.6%。这种性能的提升主要得益于其表面的光滑性和亲水性，以及均匀分布的孔结构。这些特性有效降低了污染物在膜表面的附着和渗透，从而提高了膜的再生效率。

为了深入理解BDSA-TDI膜的结构和性能，研究团队对其进行了多方面的表征分析。包括表面形貌、化学结构、水接触角（WCA）、表面电位、孔径分布、分子量截留值（MWCO）、PU活性层厚度以及机械性能等。结果表明，BDSA-TDI膜的表面更加光滑，WCA显著低于PES基质膜，显示出更强的亲水性。同时，其表面电位在高pH条件下表现出更强的负电性，这有助于通过静电排斥作用减少污染物的吸附。

在化学结构方面，BDSA-TDI膜的ATR-FTIR光谱显示出新的吸收峰，表明磺酸基团的存在。这不仅验证了膜的合成成功，还进一步解释了其在极端pH环境下的稳定性。此外，XPS分析显示，膜中的氮元素主要以N–CO和未反应的–NH?形式存在，说明了反应过程中形成的聚氨酯结构。这些结构特征共同作用，使得BDSA-TDI膜在酸碱环境下表现出良好的化学稳定性。

进一步的分子动力学（MD）模拟和FTIR光谱分析揭示了膜中存在单齿和双齿氢键，其中双齿氢键由于其更高的结合能，对膜的结构稳定性具有显著贡献。这些氢键的存在使得膜在极端pH条件下能够维持其功能，而商用NF270膜由于缺乏氢键结构，表现出较差的稳定性。

在实际应用中，膜的抗污染性能直接影响其运行效率和寿命。BDSA-TDI膜在不同pH条件下的抗污染表现优于PES膜，这主要归因于其表面的光滑性、亲水性和均匀的孔结构。这些特性不仅减少了污染物的附着，还阻止了其深入膜结构，从而避免了死端污染的发生。此外，膜的较薄活性层和均匀的孔径分布也有助于提高其通量恢复能力。

综上所述，这项研究成功开发了一种具有优异酸碱耐受性和抗污染性能的聚氨酯NF膜，为纺织废水的零液排放提供了新的解决方案。该膜不仅能够高效分离染料和盐分，还能在极端pH条件下保持稳定的性能，展现出广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索该膜在不同水质条件下的适用性，以及其在大规模工业应用中的经济性和可持续性。