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  染料和抗生素作為工業廢水中的典型有機污染物，因其結構穩定、難降解且具有生物毒性，對水環境安全和人體健康構成嚴重威脅。納濾（NF）技術因其高效分離、低能耗和環境友好等優勢，在廢水深度處理領域顯示巨大潛力。然而，傳統聚酰胺（PA）納濾膜長期面臨滲透性-選擇性難以兼顧的“trade-off”瓶頸，并存在抗污染性能不足的問題。

  針對這一挑戰，西安工業大學張紅梨課題組提出了一種基于二維Ti?C?T? MXene納米片與聚酰胺層交替組裝的層厚梯度遞減結構納濾膜（圖1）。該設計通過MXene中間層增強對哌嗪（PIP）分子的吸附能力并優化基底層界面性質，顯著改善了界面聚合過程中的反應-擴散動力學，最終形成結構均勻、缺陷密度低的PA分離層。此外，MXene納米片的有序堆疊與梯度化層厚結構協同作用，有效降低了流體傳輸阻力，縮短了水分子輸運路徑，從而同步實現了高通量和高選擇性。該研究以“Layer-thickness gradient nanofiltration membrane constructed by alternating assembly of two-dimensional MXene nanosheets and polyamide layer for dye and antibiotic wastewater purification”為題，發表于國際膜領域權威期刊Desalination上。西安工程大學楊杰副教授為共同通訊作者。

圖1.層厚梯度結構MXene/PA-n納濾膜制備過程示意圖

圖2. 復合膜的XPS表征與交聯度分析。（a）XPS全譜圖；（b, c）MXene/PA-5膜的C 1s和O 1s精細譜；（d）不同膜的O/N比與交聯度

  在材料表征方面，XPS全譜分析顯示，MXene/PA-1、MXene/PA-2和MXene/PA-3膜中未觀測到Ti元素特征峰，可能由于Ti₃C₂T_x含量較低。但隨著組裝次數增加，在MXene/PA-5膜中清晰觀測到Ti 2p特征峰（圖2a），證實MXene納米片已成功引入到復合膜中。同時，隨組裝循環次數增加，MXene/PA-n膜的O/N比逐漸下降（圖2d），表明交聯度不斷提高，印證了TMC與PIP間界面聚合反應更為充分，有利于提升膜的鹽選擇性能。

圖3. 不同膜的形貌結構表征：（a-e）表面SEM圖；（f-j）截面SEM圖；（k-o）表面AFM三維形貌圖。

  在形貌結構方面，引入MXene作為中間層后再于PES-MXene基底上構建PA層，所得MXene/PA-1膜表現出均勻、無缺陷的表面結構（圖3c）。隨著組裝次數增加，MXene/PA-2膜呈現顆粒分散性更優、分布更均勻的形貌（圖3d），而MXene/PA-3膜則表面更為平整、顆粒顯著減少（圖3e）。這一變化可歸因于MXene層具有豐富的納米通道和優異吸附能力，有效提升了對PIP單體的吸附，促進Schotten-Baumann反應高效進行；同時MXene層提供受限界面聚合環境，抑制PA向基體內部滲透，從而形成更致密平整的分離層。

  表面粗糙度（Ra）測試表明（圖3k-o），隨著復合膜中MXene/PA層數增加，Ra值呈逐級遞減趨勢。這主要得益于PIP與MXene納米片間的高親和性—MXene邊緣豐富的含氧官能團與PIP形成氫鍵，引導PIP在多孔基膜上有序分布，進而調控界面聚合過程中單體擴散行為，促進形成低缺陷、更光滑的PA活性層。表面粗糙度的降低有效減少了膜污染物的吸附，顯著增強抗污染性能。

圖4. 膜性能表征: (a) 水通量與Na₂SO₄截留率; (b) 水接觸角; (c) 染料截留性能; (d) 抗生素截留性能; (e) Zeta電位 (pH=7); (f) 與文獻數據的性能對比

  性能測試表明，所制備的MXene/PA-2膜純水通量達約20.4 L·m^-2·h^-1·bar^-1，相較于傳統PA膜提升近3倍，同時對甲基藍和制霉菌素的截留率分別高達99.9%與100.0%。在80小時錯流過濾測試中，該膜對甲基藍的截留率仍保持在99.5%，水通量維持在18.6 L·m^-2·h^-1·bar^-1，表現出卓越的長期運行穩定性。在抗污染實驗中，MXene/PA-2膜對陽離子表面活性劑（DTAB）和蛋白質污染物（BSA）均表現出緩慢的通量下降與較高的通量恢復率，其優異抗污染性能源于膜表面良好的親水性、低粗糙度及表面電荷的協同作用。

圖5. 長期穩定性測試: (a-b) MXene/PA-2膜對甲基藍和制霉菌素的長期過濾性能; (c-d) 純MXene膜與MXene/PA-2膜在測試前后的XRD圖譜對比

圖6. 抗污染性能測試: (a) DTAB及 (b) BSA污染過程中純PA膜與MXene/PA-2膜的歸一化水通量衰減曲線

圖7. 分離機理示意圖：（a）傳統PA膜；（b）純MXene膜；（c）MXene/PA-n梯度膜

  該研究是張紅梨課題組在納濾膜領域的最新突破。課題組長期致力于聚合物納濾膜材料與MXene分離膜的基礎與應用研究（Desalination 2025, 614, 119155；Separation and Purification Technology 2024, 349, 127908；Separation and Purification Technology 2023, 305, 122425；Journal of Membrane Science 2021, 636, 119591；Nanomaterials 2022, 12, 2103；Journal of Materials Chemistry A 2018, 6, 6442-6454），為高性能納濾膜在可持續水處理、離子篩分、資源回收和環境保護等領域的應用提供了重要理論與技術支撐。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119155