作者简介
第一作者
姓名：史之源
机构：哈尔滨工业大学环境学院
研究方向：抗生素废水处理
通讯作者
姓名：林政达
机构：哈尔滨工业大学环境学院
研究方向：膜材料研发与应用、特种废水深度处理、环境功能材料、AI赋能环境大数据、人工湿地设计与应用
研究背景
抗生素广泛应用于医疗、畜禽养殖和水产养殖，但部分药物难以被生物完全代谢，进入水环境后仍保持生物活性，不仅构成难处理的微量有机污染，还可能加速耐药菌和耐药基因的富集与传播。现有膜分离技术中，传统单层功能涂层往往面临“吸附位点多则传质阻力大、通量高则去除率低”的固有矛盾。哈尔滨工业大学环境学院林政达老师及其团队提出了一种新思路：通过层层自组装构筑PES-CS-MMT梯度复合膜，让不同膜层“各司其职”——底层提供机械支撑，中间层承担吸附功能，表面层负责界面筛分，从而在高效去除不同种抗生素的同时保持较好的水传递能力与抗污染性能。相关成果发表于MDPI Membranes 期刊。
图1. PES支撑层—CS功能层—MMT表面层构成的三层梯度结构
研究过程与结果
研究以商业聚醚砜 (PES) 超滤膜为基底，经等离子体活化后依次沉积壳聚糖 (CS) 和蒙脱土 (MMT)，通过多轮层层自组装形成复合功能层，最后利用Ca²⁺交联增强层间结合。扫描电镜观察到清晰且厚度均匀的层状构型，MMT富集表层约1 μm；与原始PES膜相比，复合膜水接触角由96.8°降至52.5°，表面亲水性显著提升。
在分离性能方面，原始PES膜与复合膜的纯水渗透率分别为128.6和87.3 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，功能层使渗透率下降约32%，但梯度结构仍保留了连续的传质通道。在0.2 MPa、室温条件下，复合膜对双氯芬酸、加替沙星和环丙沙星的稳态截留率分别达到89.2%、85.7%和83.5%，对氧氟沙星为42.3%。这种差异表明膜的去除效果并非单纯取决于孔径大小，而是与分子电荷、尺寸、空间位阻和界面亲和力共同相关。
图2. 不同初始浓度下四类抗生素的稳态截留率
吸附动力学结果进一步揭示了膜对不同分子的选择性响应。双氯芬酸、加替沙星和环丙沙星分别在约468 s、835 s和707 s达到吸附平衡，平衡吸附容量均超过4000 mg/m²；氧氟沙星则表现出较慢的吸附速率和较低的容量。等温吸附拟合表明，Freundlich模型拟合效果最佳，说明梯度功能层上的吸附位点具有明显异质性，以多层吸附为主要特征；D-R模型给出的平均吸附能为8.7–13.5 kJ/mol，支持化学吸附或离子交换参与速率控制。
在稳定性与再生性能方面，连续过滤双氯芬酸溶液168 h后，膜通量在约48 h后稳定于初始值的约75%，之后未出现显著衰减；双氯芬酸去除率在整个测试期间保持在85%以上。经过五次吸附—再生循环后，纯水通量恢复率仍达92.3%，双氯芬酸去除率仅由89.2%小幅降至82.4%，表明Ca²⁺交联形成的层间结构能够有效抵抗清洗过程中的功能组分流失。
图3. 168 h连续运行过程中的比通量与双氯芬酸去除率
在再生循环性能方面，经过超声辅助、pH 2稀盐酸浸泡清洗和去离子水反复冲洗后，复合膜在五次吸附—再生循环后仍保持较好的可重复使用性。纯水通量恢复率从首次的100%逐步降至第五次的约92%，双氯芬酸稳态去除率由89.2%小幅降至82.4%，全程未出现明显的性能突降。结果表明，Ca²⁺交联形成的层间结构能够有效抵抗清洗过程中的剥离和功能组分流失，为复合膜的长期稳定运行和经济适用性提供了实验依据。
图4. 五次吸附—再生循环后的通量恢复率与双氯芬酸去除率
研究总结
该研究利用商业PES超滤膜、壳聚糖和蒙脱土，通过层层自组装与Ca²⁺交联构筑出具有清晰梯度的多层复合膜。三层结构将机械支撑、功能吸附和界面筛分有机结合，实现了对双氯芬酸、加替沙星和环丙沙星的高效去除，并揭示了不同分子产生差异响应的内在原因。更重要的是，这项工作提出了一种可迁移的设计范式：从“寻找一种更强的膜材料”转向“按功能组织材料与界面”，为抗生素废水深度处理提供了新的材料学路径。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2077-0375/16/5/180
Membranes 期刊介绍
主编：Spas D. Kolev, The University of Melbourne, Australia
期刊主题涵盖非生物膜和生物膜科学及技术，包括膜动力学、膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品工业中的应用等方向，也包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。
2025 Impact Factor：4.2
2025 CiteScore：9.4
Time to First Decision：14.9 Days
Acceptance to Publication：7.9 Days
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/membranes
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