水污染一直是一个环境挑战，对生态系统和人类健康构成重大威胁，这凸显了有效废水处理的迫切需求。离子交换、吸附、混凝/絮凝和膜分离是最普遍的废水处理技术。膜分离因其多功能性、较低的能源需求、最少的化学品使用量、占地面积小以及能够生产高质量水而广泛用于废水处理和饮用水供应。
在这项研究中，银基金属有机框架 Ag-MOF（使用硝酸银和 1,3,5-苯三羧酸作为前驱体）通过三种不同的方法掺入PA膜中：掺入，浸涂，以及原位超声技术。表征表明改性的纳米膜的掺入方法在很大程度上控制了形态和表面特性。还显示出卓越的防污和抗生物污染性能，由于其改进的表面亲水性和掺入的Ag-MOF的抗菌性能，在两次污染测试中，助焊剂回收率（FRR）均为 94.1%。相反，表面接枝浸涂的 Ag-MOF 具有最高的脱盐率，这归因于其带高度负电荷的表面和具有窄孔的致密PA网络。
图1.膜及其制造技术的示意图和详细说明。
不同的掺入技术及其对微观结构特性的影响，这些技术可能会影响先进分离技术中的过滤、结垢和生物结垢性能。
图2.Ag-MOF的合成优化和表征。
为了增强Ag-MOF与PA膜的整合，优化了超声处理的温度、母离子浓度和持续时间。
图3.膜的过滤、结垢和生物结垢性能。
图3a显示，Ag-MOF的掺入增强了除 M4 膜外的所有改性膜中的水通量。总体而言，膜的水通量性能基于 Na2所以4过滤结果遵循以下顺序：M1>M2>M3>M5>M0>M4。制造膜的FRR （%）性能（图 3c）遵循以下顺序：M1>M5>M0>M4>M2>M3，当使用海藻酸钠作为污染剂时，M1 达到最高的FRR（94.1%）。M1 和 M2 还表现出更好的抗生物污染性能，分别实现了 94.1% 和 93.8% 的FRR（图 3d）。相比之下，M0 在所有膜中表现出最低的抗生物污染性。
图4.膜的离子传输特性。
通过流式潜力分析用于测量原始膜和修饰膜的 Zeta 电位。所有制造的膜在pH值4-9范围内均表现出负Zeta电位。原位超声处理（M1 和 M2）和 Ag-MOF掺入（M3）提高了面电容。 通过MWCO 测量以评估平均孔径，结果表明，M1 和 M2 膜具有更大的孔隙。
图5.膜的形态和结构特征。
图5描述了膜的形态和表面特性，突出了不同修饰技术导致的PA结构变化。顶面SEM图像揭示了所有改性膜表面都存在 Ag-MOF，其中 M2 显示出较小纳米颗粒的最均匀和丰富的分布，增强了它们与 PA 链的结合，对于过滤过程中的持续性能至关重要。M2 中的 PA 层形态表现出球节状和条纹状图案的组合，这些图案会提高 TFN 膜的表面粗糙度。
图6.Ag-MOF 和膜的抗菌性能。
通过最低杀菌浓度（MBC）实验和圆盘抑制区试验检测 Ag-MOF NPs的抗菌性能。原始的PA 膜（M0）没有表现出任何抑制区，M1 和 M2 膜中较大的抑制区可归因于其结构中较高浓度的 Ag-MOFs。
图7.膜的化学稳定性。
采用热重分析（TGA）来研究与原始PA膜的比较，所有改性膜都表现出卓越的热稳定性，即使在高达 440 °C 的温度下也能保持其结构完整性。
这项工作是一项比较MOF集成PA膜的不同制造技术的综合研究。此外，超声处理过程针对原位生长和将小的、均匀分布的Ag-MOF掺入PA膜进行了优化。还探索了其他技术，包括掺入（M3）和浸涂（M4 和 M5）。将所有改性膜的表面特性和过滤性能与原始 PA 膜 （M0） 进行了彻底的比较。结果表明，每种掺入技术都独特地影响表面形态、电荷特性、理化性质、杀菌特性和离子传输特性。它还说明了集成技术对 Ag-MOF 和 PA 层之间相互作用的影响，从而产生了独特的过滤性能。总体而言，本研究为通过选择合适的掺入技术为特定水净化过程定制 TFN 膜提供了实用见解。基于这些发现，未来的研究可以探索结合合成的不同 MOF 对大小和分布的精确时空控制的影响，这可能会提高过滤性能。此外，建议通过长期过滤测试来研究这些改性膜的可持续性，以评估其耐用性和实际适用性。进一步的研究还可以研究这些膜的合成过程对环境的影响。
近期，该研究成果以“Analysis of Metal–Organic Framework and Polyamide Interfaces in Membranes for Water Treatment and Antibacterial Applications”为题发表于学术期刊《Small Methods》，论文第一作者为Mohsen Pilevar，通讯作者为美国阿拉巴马大学的Mark Elliott。
撰稿人：佘 雨
审稿人：张晓静
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/smtd.202401566
抗菌抗污材料前沿
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