UiO-66-NH2@PAA-g-PES混合基质超滤膜：一种用于洗衣废水回用的抗污染可持续解决方案

《Next Research》：Tailoring PAA-g-PES Membranes with UiO-66-NH 2 MOF for Performance Evaluation of Laundry Wastewater Management: Fouling Mitigation and Reusability

本研究针对洗衣废水（LWW）回用处理的需求，开发了一种新型UiO-66-NH2@PAA-g-PES混合基质超滤（UF）膜。该膜通过金属有机框架（MOF）和聚丙烯酸（PAA）接枝改性，显著提升了膜的亲水性、抗污染性和污染物截留率。处理后的出水水质达到南非国家标准（SANS 1732:2019），可用于冲厕和灌溉，为解决水资源短缺提供了一种创新、高效的膜技术方案。

　　

在全球水资源日益紧张的背景下，寻找可持续的水资源管理方案已成为当务之急。洗衣废水（Laundry Wastewater, LWW）作为生活灰水的重要组成部分，其产生量巨大，若未经处理直接排放，不仅浪费水资源，其中的洗涤剂、悬浮固体、有机物等污染物还会对环境造成负担。然而，传统的洗衣废水处理技术如混凝、生物处理等存在能耗高、产生有毒污泥、效率不稳定等局限性。因此，开发一种高效、低成本且环境友好的洗衣废水回用技术，对于实现水资源的循环利用具有重要意义。

膜技术，特别是超滤（Ultrafiltration, UF）技术，因其能有效去除病原体、胶体颗粒和部分溶解性有机物，且能耗相对较低，在水处理领域展现出巨大潜力。聚醚砜（Polyethersulfone, PES）是常用的超滤膜材料，但其固有的疏水性易导致膜污染，缩短膜寿命，增加运行成本。为了克服这一缺点，研究人员尝试对PES膜进行亲水性改性。其中，聚丙烯酸（Polyacrylic acid, PAA）因其富含亲水性的羧基（-COOH）而被用于接枝改性PES，以提高膜的亲水性和抗污染性。另一方面，金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）材料，特别是UiO-66-NH₂，以其高比表面积、可调的孔结构和良好的化学稳定性，作为纳米填料被引入到膜基质中，有望协同提升膜的分离性能和稳定性。

发表在《Next Research》上的这项研究，正是基于上述背景，旨在开发一种新型的混合基质超滤膜，用于高效处理洗衣废水并实现其安全回用。研究人员巧妙地将UiO-66-NH₂ MOF与PAA-g-PES聚合物相结合，期望利用PAA-g-PES增强膜的亲水性和抗污染能力，同时借助UiO-66-NH₂ MOF的吸附特性和选择性传输路径，进一步提升膜对洗衣废水中污染物的去除效率。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过溶剂热法合成了UiO-66-NH₂ MOF纳米填料，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、氮气吸附-脱附（BET）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对其进行了系统表征。其次，采用自由基接枝聚合法将丙烯酸（AA）单体接枝到PES聚合物主链上，制备了PAA-g-PES共聚物。然后，通过非溶剂诱导相分离（NIPS）技术，将不同含量的UiO-66-NH₂ MOF与PAA-g-PES共混，制备了一系列UiO-66-NH₂@PAA-g-PES混合基质超滤膜。膜的性能评估包括纯水通量（PWF）、对实际家庭洗衣废水（样本来源于南非约翰内斯堡佛罗里达公园的三个家庭）的污染物截留率（总溶解固体TDS、浊度、总有机碳TOC、电导率EC）以及抗污染性能（通量恢复率FRR、可逆/不可逆污染率）。膜的表征手段还包括静态和动态水接触角（WCA）、原子力显微镜（AFM）和SEM以分析膜的表面性质和形态结构。

3.1. UiO-66-NH₂的特性

通过FTIR、XRD、TGA、BET、SEM、EDX和元素Mapping等多种表征手段，证实了UiO-66-NH₂ MOF的成功合成。FTIR光谱显示了与氨基和Zr-O键相关的特征振动峰。XRD图谱显示出UiO-66-NH₂的特征衍射峰，表明其具有良好的结晶性。TGA分析表明该MOF具有较高的热稳定性。BET测试显示其具有典型的IV型等温线，比表面积达635.0 m²/g，孔径为24.0 ?，属于介孔材料，这为其吸附污染物提供了有利条件。SEM和元素分析进一步确认了其形貌和元素组成均匀。

3.2. 膜的特性

膜的表征结果表明，与原始PES膜（M0）相比，PAA接枝（M1）和UiO-66-NH₂ MOF的引入显著改变了膜的性能。水接触角（WCA）测量显示，M0膜呈疏水性（WCA = 70.1°），而PAA-g-PES膜（M1）的WCA降至39°，亲水性大幅提高。随着MOF含量的增加，UiO-66-NH₂@PAA-g-PES膜（M2-M5）的亲水性进一步增强，WCA最低可达32.7°（M4）。动态WCA测试也显示了类似的亲水性和水吸收趋势。热重分析表明PAA的接枝降低了PES膜的热稳定性，但MOF的加入对其热稳定性影响不大。FTIR光谱证实了PAA成功接枝到PES上。SEM图像显示所有膜均呈现典型的不对称结构，具有致密的皮层和指状孔/海绵状底层结构。改性后膜的孔结构和孔隙率发生变化，PAA接枝使膜厚度和孔隙率增加，MOF的加入在一定含量内进一步调节了膜的结构。原子力显微镜（AFM）显示改性膜的表面粗糙度显著降低（从M0的71.4 nm降至M5的8.77 nm），这有利于减少污染物附着。纯水通量（PWF）测试表明，改性膜的通量均高于原始PES膜，其中M4膜表现出优异的通量（约612.7 L·m^-2·h^-1）和稳定性。

3.3. 膜性能

抗污染和重复使用性能评估是本研究的核心。结果表明，原始PES膜（M0）由于疏水性和较高的表面粗糙度，抗污染能力差，经过四个污染-清洗循环后，通量恢复率（FRR）降至很低水平（13.7-19.4%）。PAA-g-PES膜（M1）因其亲水性和光滑表面，抗污染性能显著提升。而最优的UiO-66-NH₂@PAA-g-PES膜（M4）则表现出卓越的抗污染性和可重复使用性，其对三个家庭洗衣废水的FRR值在经过四个循环后仍能保持在77.2-83.6%的高水平，不可逆污染率（R_ir）极低（3.7-14.0%）。这种优异的性能归因于MOF和PAA的协同效应：PAA提供亲水性和静电排斥作用，MOF则提供额外的吸附位点和亲水基团（-NH₂），并可能通过其多孔结构吸附污染物，减少膜孔堵塞。研究还比较了物理清洗（去离子水反冲洗）和化学清洗（pH 3和pH 9溶液）的效果，发现碱性条件更有利于膜的通量恢复，这与PAA在碱性条件下去质子化后链伸展、亲水性增强有关。

在污染物去除方面，所有膜均能改善出水水质，但改性膜的效果更佳。最优的M4膜对洗衣废水中关键污染物的去除率非常突出：总溶解固体（TDS）去除率达92.4%，浊度去除率达99.4%，总有机碳（TOC）去除率达89.5%，电导率（EC）降低97.2%。处理后的出水pH值调整至接近中性，各项指标均满足南非国家标准（SANS 1732:2019）关于灰水单次回用于冲厕和地下灌溉的水质要求。

本研究成功开发并评估了一种新型UiO-66-NH₂@PAA-g-PES混合基质超滤膜用于洗衣废水回用。研究结论明确指出，通过将UiO-66-NH₂ MOF与PAA-g-PES相结合，制备的混合基质膜综合性能显著优于传统的PES膜。其核心优势在于协同增强了膜的亲水性、抗污染能力和污染物选择性截留性能。膜的优异抗污染性意味着更长的使用寿命和更低的运行维护成本，而高效的污染物去除能力则确保了回用水的安全性与合规性。该技术为家庭和特定服务场所（如医院、洗衣房）的洗衣废水就地处理和回用提供了一种切实可行、可持续的解决方案，有助于缓解水资源压力，减少对市政污水处理设施的依赖，并降低水环境污染风险。尽管取得了令人鼓舞的成果，研究人员也指出，未来的工作应包括长期运行评估、考察不同水质条件下膜的性能变化、优化膜清洗策略以及评估膜材料的长期稳定性及环境影响。总体而言，这项研究为开发高性能、抗污染的混合基质膜用于废水回用领域提供了有价值的见解和技术路径，对推动可持续水管理具有重要意义。