聚间氨基酚功能化氮化碳改性中空纤维膜的构建及其高效水净化性能研究

为解决工业废水导致的染料和重金属污染问题，研究人员通过聚间氨基酚功能化石墨相氮化碳(g-C3N4)改性聚砜中空纤维膜，开发出具有150 Lm-2h-1bar-1高渗透通量、49.9%通量恢复率及>99%染料截留率的膜材料，为可持续水处理技术提供新策略。

　　

工业化和纺织业排放的染料废水正对生态系统构成严峻威胁，其中刚果红(CR)、活性黑5(RB5)等合成染料具有化学稳定性强、难降解的特性，不仅阻碍水生植物光合作用，还会分解出致癌芳香胺。更棘手的是，废水中铅(Pb²⁺)、汞(Hg²⁺)等重金属离子可通过食物链富集，损害人体神经系统和肾脏功能。传统水处理技术难以彻底去除这些污染物，而商用聚砜(PSf)膜又因疏水性易受污染，导致渗透效率和寿命骤减。

针对这一难题，印度国立卡纳塔克理工学院化学系膜与分离技术实验室的Sooraj S. Nayak团队创新性地将聚间氨基酚功能化的石墨相氮化碳(FCNs)引入中空纤维膜体系。这项发表于《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》的研究，通过金属-free的绿色改性策略，使膜材料同时具备高渗透性、强抗污染性和多污染物协同去除能力，为复杂工业废水处理提供了可持续解决方案。

研究团队采用干-湿纺丝相转化法制备中空纤维膜，关键技术包括：热剥离法制备高比表面积g-C₃N₄基底，酸性条件下原位氧化聚合构建FCNs复合物，通过SEM/AFM表征膜形貌，结合zeta电位和接触角分析表面特性，采用错流过滤系统评估渗透通量与截留率，并利用ICP-OES和紫外分光光度计定量污染物去除效率。

功能化材料表征

XPS证实FCNs中氧元素峰强度增强，C1s谱284.5 eV峰归因于聚间氨基酚的芳香结构，N1s谱399.9 eV新峰对应仲胺氮，证实成功功能化。TEM显示氮化碳层边缘存在蠕虫状聚合物涂层，BET测得FCNs比表面积达62 m²/g，为污染物吸附提供丰富位点。

膜结构调控机制

SEM显示CN-AP 50膜形成致密皮层(厚度增加37%)与发达大孔支撑层，AFM测得表面粗糙度(Ra)从64 nm降至8.7 nm。功能材料引入使膜zeta电位从-21 mV降至-31 mV，接触角由89°减至77°，表面能提升至88 mN/m，这些特性协同抑制污染物粘附。

性能突破

优化后的CN-AP 50膜展现150 Lm^-2h^-1bar^-1平均水通量，较纯PSf膜提升83%。抗污染测试中通量恢复率(FRR)达49.9%，可逆污染占比11.9%。染料截留实验显示对CR、RB5和RO16的去除率分别>99%、>98%和86%，Pb²⁺/Hg²⁺在腐殖酸存在下的截留率达99%和60%。

该研究通过精准调控g-C₃N₄表面化学特性，构建了兼具π-π堆积、静电作用和配位吸附的多功能分离界面。特别值得注意的是，FCNs中酚羟基与重金属的强配位能力，以及氮杂环与染料的电荷转移作用，使单级膜即可实现多污染物同步去除。相较于传统金属基改性材料，这种全有机功能化策略避免了金属溶出风险，其采用的热剥离-原位聚合工艺更具规模化潜力，为发展绿色水处理技术提供了新范式。未来通过优化FCNs在薄膜复合(TFC)膜中的分布密度，有望进一步提升对离子态重金属的筛分效率。