吸附-类芬顿协同催化膜与铁基碳纳米管的结合，用于高效降解染料废水

时间：2026年5月29日

来源：Polymer

编辑推荐：

郭东胤|应和马|青欣孟|永青程|金明宋|静宋|宝辉邵|文豪耿|迪张|洪张耿分离膜与膜过程国家重点实验室，天津先进纤维与储能重点实验室，天津工业大学材料科学与工程学院，中国天津300387摘要为了解决含染料废水难以降解和传统膜分离系统严重污染的问题，采用非溶剂诱导相分离（NIPS）

郭东胤|应和马|青欣孟|永青程|金明宋|静宋|宝辉邵|文豪耿|迪张|洪张耿

分离膜与膜过程国家重点实验室，天津先进纤维与储能重点实验室，天津工业大学材料科学与工程学院，中国天津300387

摘要

为了解决含染料废水难以降解和传统膜分离系统严重污染的问题，采用非溶剂诱导相分离（NIPS）方法制备了MWCNT-COOH/Fe₃O₄改性的聚醚砜（PES）复合膜。通过调整纳米填料含量，制备了一系列复合膜（标记为M0–M3），并系统研究了它们的电化学性能、染料去除效率和催化降解机制。表征结果显示，含有5 wt%填料的M2膜在染料阻隔和降解方面表现出最佳性能。具体而言，刚果红和甲基蓝的去除效率超过99%，亚甲蓝的降解效率达到99%以上，而茜素红S和Re活性蓝4的降解效率也超过96%。同时，连续运行24小时后通量衰减率仅为29.3%，牛血清白蛋白的通量恢复率约为90%，远优于纯PES膜。自由基清除实验验证了羟基自由基（·OH）是染料降解的主要反应物种，而超氧自由基（·O₂^-）起辅助作用。机制分析表明，催化过程遵循类似电Fenton的路径：原位生成的H₂O₂在Fe₃O₄的作用下持续产生·OH；MWCNT-COOH在膜表面构建了快速的电子转移路径并浓缩了染料分子；Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环提高了催化稳定性。本研究为功能化复合膜的结构优化提供了实验支持，并为含染料废水的先进处理提供了有效策略。

引言

水是工业生产和生态可持续性不可或缺的资源[1]，[2]。水污染治理已成为环境科学领域的全球研究热点[2]，[3]。在各种工业废水中，含染料的废水由于其复杂的组成、高毒性和对自然生物降解的顽固性而被认为是最难处理的之一。染料广泛应用于纺织、印染、造纸和皮革制造等行业，全球年产量超过800万吨，其中中国占比超过60%[4]，[5]。然而，在生产和使用过程中，有10–20%的合成染料直接排放到水环境中，导致严重的色污染、化学需氧量（COD）升高、透光率下降以及水生食物链中断，这些都对生态安全和人类健康构成重大威胁[6]，[7]。值得注意的是，偶氮和蒽醌染料具有稳定的共轭化学结构，难以降解，其降解中间体可能产生致癌和致畸的芳香胺[8]。随着环境排放标准的日益严格，传统处理技术难以满足监管要求[9]，[10]，[11]，因此迫切需要高效、稳定且经济可行的先进处理策略[8]，[12]。

目前的废水处理方法，包括物理化学方法、生物处理和高级氧化过程（AOPs），存在显著缺点[5]，[13]，[14]。物理化学技术仅能转移污染物而不能实现完全矿化，容易导致二次污染[3]，[15]；AOPs需要较高的资本投入和严格的操作条件。相比之下，具有优异机械和化学稳定性的聚醚砜（PES）膜在先进染料废水处理方面展现出巨大潜力。然而，原始PES膜存在亲水性差（导致严重污染）和电化学惰性（阻碍污染物降解从而导致孔堵塞）的问题[14]，[17]。为了克服纯PES膜的性能限制，研究人员通过表面改性和混合改性优化了膜的结构和性能[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。在这些策略中，纳米粒子混合改性因其易于制备和显著的性能提升而受到广泛关注。

本文采用非溶剂诱导相分离（NIPS）方法制备了MWCNT-COOH/Fe₃O₄改性的PES复合膜[18]，[19]，[20]。将Fe₃O₄纳米粒子固定在MWCNT-COOH表面有效抑制了纳米粒子的聚集和渗出，提高了催化稳定性[13]，[23]，[24]，[25]，[26]。此外，电催化产生的羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^-）赋予了制备的膜优异的自清洁能力[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，从而实现了良好的长期运行稳定性和抗污染性能[23]，[32]，[33]，[34]，[35]，[36]，[37]。本研究探讨了MWCNT-COOH/Fe₃O₄/PES复合膜去除复杂废水基质中各种高浓度染料的电催化性能，具有重要的实际应用前景。

章节摘录

化学物质和材料

PES（Ultrason E6020P，分子量=60,000 Da）购自东莞汇腾新材料有限公司。牛血清白蛋白（BSA）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。茜素红S（ARs）购自上海麦克林生化科技有限公司。刚果红（CR）由阿拉丁试剂有限公司提供。Re活性蓝4（RB-4）购自上海西力米生物科技有限公司。甲基蓝（MeBe）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）购自

纳米复合材料的表征

图3a显示了纯Fe₃O₄、MWCNT-COOH和MWCNT-COOH/Fe₃O₄复合材料的XRD图谱。纯Fe₃O₄在2θ = 30.1°、35.5°、43.1°、57.0°和62.6°处显示出明确的衍射峰，分别对应于磁铁矿Fe₃O₄的（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面[39]，[40]。对于MWCNT-COOH，在2θ = 26.0°处出现一个宽的衍射峰，归属于碳纳米管类层状结构的（002）面。值得注意的是，MWCNT-COOH/Fe₃O₄

结论

本研究成功制备了MWCNT-COOH/Fe₃O₄改性的PES复合膜，并系统研究了填料含量对膜结构、亲水性和性能的影响。主要结论如下：

1.
MWCNT-COOH/Fe₃O₄复合填料的含量显著影响膜的亲水性和分离性能。M2膜（具有最佳填料含量）表现出最佳的综合性能，接触角为48.5°

CRediT作者贡献声明

文豪耿：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，项目管理，资金获取，概念构思。迪张：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，项目管理，资金获取，概念构思。洪张耿：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，项目管理，资金获取，概念构思。宝辉邵：监督。金明宋：研究。静宋：研究。郭东胤：撰写 –