生物炭负载纳米零价铁构建陶瓷膜表面“主动防御屏障”显著提升污染物截留效率与抗污染性能

（编辑推荐）本研究创新性地采用生物炭负载纳米零价铁（Fe@BC）通过重力沉积、溶胶-凝胶浸渍和界面聚合三种方法修饰陶瓷膜（CMs），构建了具有高活性位点密度的“主动防御屏障”。其中溶胶-凝胶法修饰的Gel-Fe@BC-CM因均匀分散的Fe@BC和优化的热力学界面相互作用，实现了对有机染料（RB/MB/RHB/CR）的高效截留（>90%）和持久抗污染性能，突破了膜技术中渗透性与选择性（Robeson上限）的固有矛盾，为水净化系统提供了创新设计范式。

　　

Highlight

本研究通过三种策略（重力沉积Gd-Fe@BC-CM、溶胶-凝胶浸渍Gel-Fe@BC-CM、界面聚合Ip-Fe@BC-CM）在陶瓷膜表面构建生物炭负载纳米零价铁（Fe@BC）功能层。微观分析证实：溶胶-凝胶法形成的修饰层具有最均匀的Fe@BC分布和高铁含量，其活性位点密度显著提升，通过改变膜-污染物界面热力学相互作用，使Gel-Fe@BC-CM对有机染料（如玫瑰红RB、亚甲基蓝MB）的截留效率突破90%，并展现卓越的抗污染稳定性。

Characterization of membrane morphology and chemical composition

扫描电镜（SEM）显示三种修饰膜形貌差异显著：重力沉积形成的Gd-Fe@BC-CM层厚且疏松，导致非特异性吸附；界面聚合引发的Ip-Fe@BC-CM孔隙收缩易引发堵塞；而溶胶-凝胶法制备的Gel-Fe@BC-CM呈现致密均一结构，X射线光电子能谱（XPS）证实其表面Fe(0)/Fe(II)/Fe(III)价态梯度分布，这种独特的“核-壳”结构（金属铁核+铁氧羟基外壳）通过协同吸附-钝化机制持续增强污染物截留能力。

Conclusions

Fe@BC修饰陶瓷膜技术中，溶胶-凝胶法因能精准调控活性位点空间分布而成为最优解。该策略不仅破解了纳米级染料分子（如刚果红CR、罗丹明B RHB）与膜孔径的尺寸排斥限制，其构建的“主动防御屏障”更通过静电排斥、孔隙筛分和化学吸附三重机制，同步实现高通量（>120 L·m^-2·h^-1）与高选择性，为应对水体有机染料污染（致癌/生态毒性）提供了革命性解决方案。