二维钛基MXene增强聚苯砜超滤膜实现高通量与广谱污染物高效去除

《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》：Engineering High Flux 2D Titanium MXene Incorporated Membranes For Broad Spectrum Pollutant Rejection

本研究针对水体中腐殖酸、染料及抗生素等广谱污染物去除难题，通过将亲水性二维钛基MXene (Ti3C2Tx)掺入聚苯砜(PPSU)基质，构建了高性能混合基质超滤膜。最优膜(TPM-2)水通量提升至244 L·m-2·h-1，对活性黑5、活性橙16染料去除率分别达95.83%和81.7%，腐殖酸去除率98.2%，四环素截留率78.4%。该研究为高通量、多污染物协同去除的水净化膜技术提供了新策略。

　　

随着全球淡水资源日益紧张，工业废水中的有机污染物成为水安全的重要威胁。腐殖酸(Humic Acid, HA)作为水体中广泛存在的天然有机物，在氯消毒过程中会生成致癌性三卤甲烷；纺织业排放的活性染料（如活性黑5、活性橙16）具有高溶解度和化学稳定性，难被传统工艺降解；抗生素（如四环素）的微量残留更会诱发耐药菌传播，对生态系统和人类健康构成连锁风险。膜分离技术虽能高效去除污染物，但传统聚合物膜常面临通量低、易污染等瓶颈。为此，印度国立理工学院卡纳塔克分校的研究团队在《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》发表论文，首次将二维材料钛基MXene (Ti₃C₂T_x)与聚苯砜(Polyphenylsulfone, PPSU)结合，开发出兼具高通量、高选择性及抗污染性能的超滤膜。

研究团队通过氢氟酸蚀刻钛铝碳(Ti₃AlC₂)成功合成层状Ti₃C₂T_xMXene，并采用探针超声辅助相转化法制备了不同MXene负载量(0-1.5 wt%)的混合基质膜。关键实验包括：材料表征（X射线衍射/XRD、傅里叶变换红外光谱/FTIR、场发射扫描电镜/FESEM等）、膜性能测试（水接触角、原子力显微镜/AFM、热重分析/TGA）、过滤实验（纯水通量、牛血清蛋白/BSA抗污染测试）及污染物截留评估（染料、腐殖酸、四环素）。

3.1 MXene材料表征

XRD显示(002)峰从9.75°移至8.94°，证实铝层去除后层间距扩大；FTIR检测到-OH（3554 cm^-1）、Ti-F（732 cm^-1）等亲水基团；FESEM呈现典型 accordion-like（手风琴状）多层结构；zeta电位-14.8 mV表明表面负电荷增强，利于静电排斥污染物。

3.2 膜结构与性能

TPM-2膜（1 wt% MXene）呈现指状孔结构，表面粗糙度（RMS=14.8 nm）和孔隙率（72.65%）最高，水接触角降至70.8°，纯水通量达244.36 L·m^-2·h^-1，较纯PPSU膜提升162%。热重分析显示膜在530°C内保持稳定。

3.3 污染去除与抗污性能

TPM-2膜对腐殖酸（98.21%）、活性黑5（95.83%）、活性橙16（81.7%）和四环素（78.4%）均表现出高效截留，主要机制为尺寸排阻与静电排斥（污染物带负电）。BSA抗污染测试中，通量恢复率显著提升，归因于MXene亲水层减少蛋白吸附。

该研究首次构建了Ti₃C₂T_x-PPSU混合基质超滤膜，突破了真空过滤法制备MXene膜的易脱落局限。其高通量、广谱污染物去除能力及5次循环使用后性能稳定（如腐殖酸截留率仍达97.56%）的特性，为工业废水深度处理提供了新材料设计思路，尤其适用于染料、抗生素等难降解污染物的协同净化。