染料和抗生素作为工业废水中的典型有机污染物，因其结构稳定、难降解且具有生物毒性，对水环境安全和人体健康构成严重威胁。纳滤（NF）技术因其高效分离、低能耗和环境友好等优势，在废水深度处理领域显示巨大潜力。然而，传统聚酰胺（PA）纳滤膜长期面临渗透性-选择性难以兼顾的“trade-off”瓶颈，并存在抗污染性能不足的问题。

  针对这一挑战，西安工业大学张红梨课题组提出了一种基于二维Ti?C?T? MXene纳米片与聚酰胺层交替组装的层厚梯度递减结构纳滤膜（图1）。该设计通过MXene中间层增强对哌嗪（PIP）分子的吸附能力并优化基底层界面性质，显著改善了界面聚合过程中的反应-扩散动力学，最终形成结构均匀、缺陷密度低的PA分离层。此外，MXene纳米片的有序堆叠与梯度化层厚结构协同作用，有效降低了流体传输阻力，缩短了水分子输运路径，从而同步实现了高通量和高选择性。该研究以“Layer-thickness gradient nanofiltration membrane constructed by alternating assembly of two-dimensional MXene nanosheets and polyamide layer for dye and antibiotic wastewater purification”为题，发表于国际膜领域权威期刊Desalination上。西安工程大学杨杰副教授为共同通讯作者。

图1.层厚梯度结构MXene/PA-n纳滤膜制备过程示意图

图2. 复合膜的XPS表征与交联度分析。（a）XPS全谱图；（b, c）MXene/PA-5膜的C 1s和O 1s精细谱；（d）不同膜的O/N比与交联度

  在材料表征方面，XPS全谱分析显示，MXene/PA-1、MXene/PA-2和MXene/PA-3膜中未观测到Ti元素特征峰，可能由于Ti₃C₂T_x含量较低。但随着组装次数增加，在MXene/PA-5膜中清晰观测到Ti 2p特征峰（图2a），证实MXene纳米片已成功引入到复合膜中。同时，随组装循环次数增加，MXene/PA-n膜的O/N比逐渐下降（图2d），表明交联度不断提高，印证了TMC与PIP间界面聚合反应更为充分，有利于提升膜的盐选择性能。

图3. 不同膜的形貌结构表征：（a-e）表面SEM图；（f-j）截面SEM图；（k-o）表面AFM三维形貌图。

  在形貌结构方面，引入MXene作为中间层后再于PES-MXene基底上构建PA层，所得MXene/PA-1膜表现出均匀、无缺陷的表面结构（图3c）。随着组装次数增加，MXene/PA-2膜呈现颗粒分散性更优、分布更均匀的形貌（图3d），而MXene/PA-3膜则表面更为平整、颗粒显著减少（图3e）。这一变化可归因于MXene层具有丰富的纳米通道和优异吸附能力，有效提升了对PIP单体的吸附，促进Schotten-Baumann反应高效进行；同时MXene层提供受限界面聚合环境，抑制PA向基体内部渗透，从而形成更致密平整的分离层。

  表面粗糙度（Ra）测试表明（图3k-o），随着复合膜中MXene/PA层数增加，Ra值呈逐级递减趋势。这主要得益于PIP与MXene纳米片间的高亲和性—MXene边缘丰富的含氧官能团与PIP形成氢键，引导PIP在多孔基膜上有序分布，进而调控界面聚合过程中单体扩散行为，促进形成低缺陷、更光滑的PA活性层。表面粗糙度的降低有效减少了膜污染物的吸附，显著增强抗污染性能。

图4. 膜性能表征: (a) 水通量与Na₂SO₄截留率; (b) 水接触角; (c) 染料截留性能; (d) 抗生素截留性能; (e) Zeta电位 (pH=7); (f) 与文献数据的性能对比

  性能测试表明，所制备的MXene/PA-2膜纯水通量达约20.4 L·m^-2·h^-1·bar^-1，相较于传统PA膜提升近3倍，同时对甲基蓝和制霉菌素的截留率分别高达99.9%与100.0%。在80小时错流过滤测试中，该膜对甲基蓝的截留率仍保持在99.5%，水通量维持在18.6 L·m^-2·h^-1·bar^-1，表现出卓越的长期运行稳定性。在抗污染实验中，MXene/PA-2膜对阳离子表面活性剂（DTAB）和蛋白质污染物（BSA）均表现出缓慢的通量下降与较高的通量恢复率，其优异抗污染性能源于膜表面良好的亲水性、低粗糙度及表面电荷的协同作用。

图5. 长期稳定性测试: (a-b) MXene/PA-2膜对甲基蓝和制霉菌素的长期过滤性能; (c-d) 纯MXene膜与MXene/PA-2膜在测试前后的XRD图谱对比

图6. 抗污染性能测试: (a) DTAB及 (b) BSA污染过程中纯PA膜与MXene/PA-2膜的归一化水通量衰减曲线

图7. 分离机理示意图：（a）传统PA膜；（b）纯MXene膜；（c）MXene/PA-n梯度膜

  该研究是张红梨课题组在纳滤膜领域的最新突破。课题组长期致力于聚合物纳滤膜材料与MXene分离膜的基础与应用研究（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），为高性能纳滤膜在可持续水处理、离子筛分、资源回收和环境保护等领域的应用提供了重要理论与技术支撑。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119155