技术前沿

Technological Frontier

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第一作者：Lie Liu

通讯作者：兰华春

通讯单位：清华大学

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全文速览

饮用水中的微量污染物是全球性环境问题。膜分离是少数能去除水中微量污染物的方法之一，但现有膜在同时高效去除小分子有机物和离子污染物方面面临挑战。本研究提出一种低压力Janus膜，其具有电诱导多亲和界面，通过疏水作用和静电作用，单次过滤即可同时去除多种有机物和重金属，去除率近100%，水通量高达 >680 L·m⁻²·h⁻¹，能耗比商业纳滤膜低98%。电诱导界面亲和性切换可实现膜性能100%再生，为可持续饮用水净化提供了新途径。

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研究背景

工业排放的有毒污染物直接进入地表水和地下水，威胁饮用水安全。尤其是有机微污染物和重金属离子的共存，即使在低浓度下也对人体健康构成风险。现有膜技术（如纳滤）在处理中性有机物时效果有限，且往往依赖高压、高能耗。Janus材料因其不对称结构和多功能集成能力，在膜分离中展现出潜力，但此前Janus膜缺乏对不同污染物的选择性吸附能力。

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本文要点

本研究设计了一种电响应Janus膜，通过在聚吡咯（PPy）层中掺杂两亲性分子AOT，利用电化学氧化还原反应调控膜表面性质：氧化侧暴露疏水烷基链，用于吸附有机物；还原侧暴露带负电的磺酸根，用于吸附重金属。该膜在单次过滤中实现近100%去除率，且可通过短暂电刺激实现原位再生，无需化学添加剂。膜性能优于商业纳滤膜和活性炭柱，具备高通量、低能耗、低成本回收等优势。

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图片解析

电控Janus膜的工作原理

示意图展示Janus膜在电刺激下，氧化侧形成疏水表面，还原侧形成带负电表面，分别通过疏水作用和静电作用捕获有机物和重金属。

Janus膜设计与性能

2A：膜制备与回收流程示意图。

2B：Janus膜在定制过滤模块中的工作原理。

2C：对多种有机物和重金属的去除性能（>96.8%）。

2D：经过五次再生循环后，对1-NP和Pb²⁺的去除率保持稳定。

2E：Janus膜在自来水中的长期净化性能优于商业NF膜。

2F：综合性能对比图，显示Janus膜在去除率、通量、能耗等方面的优势。

膜-污染物相互作用机制

3A：XPS深度剖面显示Na⁺在还原PPy层中的信号。

3B：对不同阳离子和有机物的选择性热图。

3C–D：通过理论计算揭示PPy-AOT与1-NP之间的π-π堆积、疏水作用、氢键等非共价相互作用。

强制对流克服疏水作用引起的扩散限制

通过分子动力学模拟和实验证明，Janus膜在过滤模式下通过强制对流有效克服疏水界面的扩散限制，提升吸附容量。

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结 论

本研究成功开发了一种具有电诱导多亲和界面的Janus膜，可同时高效去除水中有机微污染物和重金属。该膜具备高选择性、高通量、低能耗、易再生等优点，性能显著优于现有纳滤膜和活性炭吸附技术。通过调控膜-污染物相互作用，实现了对小分子污染物的高效捕获，为低压力膜分离技术提供了新思路。

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意义和展望

该研究不仅为解决饮用水复合污染问题提供了高效技术方案，也为膜分离材料的智能设计与性能调控提供了新范式。未来可进一步探索该膜在复杂水质条件下的长期稳定性、规模化制备工艺，以及与其他水处理技术的耦合应用，推动其从实验室走向工程实践。

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文献信息

A Janus membrane with electro-induced multi-affinity interfaces for high-efficiency water purification Science Advances 2024

DOI: 10.1126/sciadv.adn8696

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原标题：《Science Advances | 清华大学兰华春团队：电控可再生Janus膜！实现氧化/还原双功能，高效去除有机物和重金属！》