DOI:10.1016/j.memsci.2020.118382

采用溶液涂覆法制备了以纳米纤维素集成聚丙烯腈（PAN）为阻隔层、以沉积有电纺PAN纳米纤维的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）非织造垫为支撑层的高通量纳米纤维复合超滤（UF）膜。通过ATR-FTIR、TGA和EDX等测量手段研究了纳米纤维复合膜的化学组成，同时通过SEM和AFM扫描观察了膜的顶部和横截面形态。在阻隔层中形成了一个互穿的纳米纤维-聚合物网络，这大大增强了复合膜的机械强度。水接触角测量表明，纳米纤维复合膜的亲水性随纳米纤维素组分的加入而提高，从而增强了膜的防污性能。对所制备的膜进行了蛋白质分离和废水处理的研究。采用错流过滤系统对不同纳米纤维素配比的纳米纤维复合膜的超滤性能进行了评估，结果表明：当纳米纤维素为0.10wt％时，复合膜的纯水透过率最高，达到1508 L/（m2h·MPa），在阻隔层中形成了最佳的水通道复合膜。以葡聚糖为标记物测定了这些膜的分子量截留值（MWCO），其中膜的最大孔径在20.8至46.0 nm范围内变化。此外，采用不同分子量的蛋白质和多肽挑战了纳米纤维复合膜的性能。该膜实现了147.1 L/m2·h的高渗透通量和98.4％的高截留率，同时获得了对蛋白质和多肽的高选择性，表明该复合膜可用于选择性分离。对纳米纤维复合膜的防污性能进行了深入研究，从渗透通量和截留率角度对过滤效率进行了评估，并与具有类似膜孔径的市售超滤膜（UN100、US050和UE050）进行了比较。纳米纤维复合膜的渗透通量比市售膜高2-3倍，这是由于在阻隔层中形成了水通道，而截留率仍保持在99.6％，这表明纳米纤维复合膜除了可以对蛋白质进行高度选择性分离外，还可以作为废水处理的良好候选材料。

图1.NC/PAN复合膜的ATR-FTIR光谱：（A）0.15wt％PAN、（B）0.15wt％NC、（C）0.05wt％NC+0.10wt％PAN、（D）0.20wt％NC+0.05wt％PAN、（E）0.15wt％NC+0.05wt％PAN、（F）0.05wt％NC+0.05wt％PAN和（G）0.10wt％NC+0.05wt％PAN。

图2.（A）复合膜的水接触角对阻隔层中纳米纤维素含量的依赖性，以及（B）原始PAN、纳米纤维素和纳米纤维素/PAN（0.10wt％NC+0.05wt％PAN）复合材料的TGA曲线。

图3.阻隔层厚度为50 nm的复合膜的映射图像。（A）N+O+U，（B）N，（C）O，（D）U。

图4.阻隔层厚度为50nm的复合膜的俯视（A）和横截面（B）SEM图像。

图5.原始PAN膜（A，D）、纳米纤维素膜（B，E）和纳米纤维素/PAN（0.10wt％NC+0.05wt％PAN）复合膜（C，F）的AFM图像。

图6.具有不同参数的复合膜的表面力学性能。（A）阻隔层中NC的含量从0％增加到33.3％和66.7％，达到100％；（B）涂层溶液中NC的浓度从0.05、0.20（wt％）开始增加，而PAN的浓度保持恒定在0.05wt％；（C）0.10wt％NC+0.05wt％PAN，阻隔层的厚度从50 nm增加到110 nm。

图7.具有不同厚度阻隔层的复合膜的纯水通量（A）和复合膜的耐压性（B，NC/PAN=0.20wt％/0.05wt％，厚度为100 nm）

图8.纳米纤维素与PAN之比对用于BSA水溶液的复合膜过滤效率的影响：（A）纳米纤维素与PAN之比发生变化，而溶液的总浓度保持在0.15wt％，并且（B）纳米纤维素的浓度从0.05wt％变化至0.20wt％，而PAN的浓度保持在0.05wt％。

图9.具有不同阻隔层厚度的复合膜的俯视和横截面SEM图像：（A）50 nm、（B）80 nm、（C）110 nm和（D）横截面视图110 nm。

图10.具有不同阻隔层厚度的复合膜用于BSA过滤的渗透通量和截留率。

图11.复合膜（厚度为110 nm）对HA水溶液的防污性能。

图12.复合膜以及市售膜UN100、US050和UE050对10.0 ppm-HA水溶液的长期过滤性能。