摘要：该研究通过仿生设计，将单原子催化剂锚定于纳滤膜表面及其选择性层中，实现了高级氧化过程（AOPs）与纳滤的协同作用，显著提升了对小分子中性有机污染物（如1,4-二恶烷和NDMA）的去除效率。该膜通过浓度极化效应使过一硫酸盐（PMS）在膜表面富集达6.9倍，并在纳

该研究通过仿生设计，将单原子催化剂锚定于纳滤膜表面及其选择性层中，实现了高级氧化过程（AOPs）与纳滤的协同作用，显著提升了对小分子中性有机污染物（如1,4-二恶烷和NDMA）的去除效率。该膜通过浓度极化效应使过一硫酸盐（PMS）在膜表面富集达6.9倍，并在纳米限域环境中显著增强催化剂反应活性。同时，其小于1.2 nm的孔径可有效截留天然有机物（NOM）和反应生成的盐离子，避免二次污染。该膜在连续500小时错流（cross-flow）过滤中保持近100%的污染物去除率，并通过卷对卷（roll-to-roll）工艺成功实现工业化制备，展现出良好的实际应用前景。

1 科学问题

现有商业纳滤（NF）和反渗透（RO）膜对小分子、中性有机污染物（如NDMA和1,4-二恶烷）的截留效率低（通常低于45%），主要由于其分子量小（

2 研究方案

研究者受金属硫蛋白（metallothioneins）启发，提出一种“巯基锚定还原法”（thiol-anchored reduction strategy），在界面聚合过程中引入L-半胱氨酸，使其胺基和巯基参与聚酰胺层形成，从而在膜内均匀分布巯基位点。随后通过金属离子（如Co²⁺）络合并用抗坏血酸还原，在膜内形成稳定分散的单原子催化剂。

通过高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收近边结构（XANES）等技术证实了Co单原子的存在与均匀分布。膜性能测试在cross-flow系统中进行，评估了污染物去除效率、长期稳定性、抗污染性及对不同氧化剂（PMS、H₂O₂、PAA）的适应性。结合膜理论、计算流体力学（CFD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了浓度极化、纳米限域和尺寸排阻效应对反应速率的增强机制。

3 结论

该催化纳滤膜对1,4-二恶烷的去除率高达98.8%，对多种污染物（NDMA、SMX、BPA等）均实现近完全去除；

浓度极化使PMS在膜表面浓度提升至体相浓度的6.9倍，显著加速反应动力学；

纳米限域环境降低反应能垒，DFT计算显示在5.4 Å孔径中PMS解离能降为0 eV，吸附能增强至-2.24 eV；

膜对SO₄²⁻截留率 >86%，渗透液中SO₄²⁻浓度

在500小时连续运行中保持稳定，抗污染性能优异，且在真实水体（自来水、污水厂出水、湖水等）中仍保持 >90% 去除率；

该方法具普适性，可扩展至Fe、Mn、Cu等金属催化剂，并可实现表面涂覆或整体修饰两种策略；

通过卷对卷工艺成功制备30 m × 30 cm的平板膜，并组装成螺旋卷式（spiral-wound）和碟管式（disc-tube）膜组件，在实际水处理中表现出色。

4 不足与展望

当前研究未对合成参数（如单体浓度、反应时间）进行充分优化，工业规模膜的水通量略低于实验室规模，主要因活性层更厚（85 nm vs. 70 nm）和交联度更高。未来可通过工艺优化进一步提升膜渗透性与催化效率。此外，该膜在中性pH条件下性能略有下降，需进一步研究pH适应性机制。尽管已初步验证其在实际水体中的稳定性，长期运行中催化剂的氧化流失与膜结构耐久性仍需更多现场验证。该研究为设计兼具高反应性与选择性的功能化纳滤膜提供了新思路，并展现出工业化应用的潜力。

文章来源：生态环境科学

来源：新浪财经