摘要：超滤、纳滤、反渗透等膜法水处理技术具有操作流程简单、处理效率高、占地面积小等优点，在市政污水、工业废水处理和海水淡化等领域发挥了重要作用。超滤是一种以压力为推动力的膜分离过程，过滤精度在0.005-0.01微米范围内，只允许溶液中的溶剂（如水分子）、无机盐及小

超滤、纳滤、反渗透等膜法水处理技术具有操作流程简单、处理效率高、占地面积小等优点，在市政污水、工业废水处理和海水淡化等领域发挥了重要作用。超滤是一种以压力为推动力的膜分离过程，过滤精度在0.005-0.01微米范围内，只允许溶液中的溶剂（如水分子）、无机盐及小分子有机物透过，可有效截留溶液中的悬浮物、胶体、微生物和蛋白质等大分子有机物，广泛应用于物质的分离、浓缩和提纯，以及饮用水净化、废水处理等。2023年，全球超滤膜市场规模达到326.5亿元，其中我国占比30.1%，居世界首位。据预测，2029年超滤膜市场规模将达到481.1亿元。

在实际应用中，超滤膜存在膜污染现象。膜污染会导致膜的水通量降低、产水质量变差、膜寿命缩短。此外，膜在制备过程中存在渗透性与选择性之间的相互制约效应，即二者难以同步提升。这些问题严重影响膜的性能和运行成本，成为其推广应用的重要障碍。将纳米材料与聚合物共混制备复合膜能够有效提高分离膜的水通量及抗污染性。然而，常规纳米材料易发生团聚，且与基膜材料相容性较差，易在成膜过程中引起缺陷，降低膜的分离性能。氮化碳、石墨烯等二维纳米材料具有较大的横向尺寸和较小的厚度，独特的结构使其表面能较低，从而减少了团聚的发生。同时，二维纳米材料通过有序的堆叠和自组装，可以在膜内构建出规整的水通道，使得膜材料具有更高的分离效率和更好的选择性，在复合膜的制备中展现出巨大的潜力。

石墨相氮化碳因制备方法简单、性质稳定等优势在聚合物膜共混改性领域崭露头角。然而，通过传统的热缩聚法、水热法制备的石墨相氮化碳存在结晶性低、规整性差等问题，以其作为添加剂制备复合膜时易导致膜孔缺陷，降低膜性能。通过熔盐法引入小分子掺杂可获得高结晶性的氮化碳，可有效提升复合膜综合性能。

图1. PHI纳米片微观表征（a-b扫描电镜图，c-e能谱元素图，f-h透射电镜图）

图2. 复合膜三维形貌及表面粗糙度

图3. 复合膜亲水性、表面电位、孔径分布及热稳定分析

基于此，北京市科学技术研究院资源环境研究所（以下简称“资环所”）以三聚氰胺为前驱体，采用熔盐法制备了高结晶性石墨相氮化碳——聚庚嗪酰亚胺（PHI）纳米片（图1）。其层间堆叠的特征峰从27.5°移动到28.3°，PHI晶体结构比常规石墨相氮化碳更紧密，结晶性显著提高。同时，以其为添加剂，与聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）共混制备了PHI/PMIA复合膜。复合膜因含有亲水性强、表面光滑的PHI，表面粗糙度降低45.2%（图2），表面接触角也由未改性膜的82.8°降低到52.6°，亲水性明显提高，因而其抗污性和渗透性大幅增强。复合膜的纯水通量为265Lm-2h-1bar-1，是未改性膜的2.3倍，但截留性能变化较小，如对牛血清蛋白（BSA）的截留率仍保持在95.2%以上，一定程度上突破了复合膜对渗透性与选择性的相互制约效应。膜的热稳定性测试显示，复合膜热稳定性明显提升（图3）。

图4. 复合膜的分离性能及耐污染机理

复合膜耐污染机理主要包括两个方面。一是复合膜中PHI富含含氧官能团（-COOH），将有机污染物限制在膜孔表面而不进入膜孔内部，且静电排斥降低了有机物在膜表面的粘附；二是PHI构筑了亲水性的表面，让水能够通过膜内孔隙，并在表面形成水合层，阻止污染物和复合膜的接触，提高了复合膜的防污性能（图4）。

图5. 论文关键信息

该研究为高结晶性二维材料的合成及高通量耐污染超滤膜的制备提供了新思路，并以“Enhancement of antifouling and separation properties of poly(m-phenylene isophthalamide) hybrid ultrafiltration membrane using highly crystalline poly(heptazine imide) nanosheets”为题发表于膜领域国际权威期刊Journal of Membrane Science (中国科学院一区TOP期刊，影响因子8.4)（图5）。资环所孙志猛为论文第一作者，资环所张忠国研究员和中国地质大学（北京）工程技术学院杨义勇教授为论文共同通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、河北省重点研发计划和北京市科学技术研究院创新工程等项目资助。

来源：北京市科学技术研究院