超滤膜可通过尺寸排阻作用去除水中的病原微生物，具有效果稳定、操作便捷、无消毒副产物等优势，但面临处理后水中易于再次滋生细菌等问题。磷是水中细菌滋生的关键控制因子，当其含量降低至20μg/L以下时微生物的生长均会受到强烈抑制。理论上，在超滤膜中负载活性纳米颗粒可同步除磷除菌，从而抑制微生物的再生。然而，向超滤膜中引入纳米颗粒易引起膜基体与纳米颗粒间的相分离，导致纳米颗粒团聚与膜滤性能严重下降，因而目前已报道的复合膜中纳米颗粒负载量均低于5%，除磷效果有限，难以满足抑菌需要。
张孝林副教授课题组长期从事新型水处理纳米材料与技术研究，近年来通过“闪速冷冻法”制备系列均孔聚合物，在此基础上对纳米颗粒高效去除污染物的限域特性开展研究，并取得了一系列原创成果（Environ Sci Technol, 2017, 51, 9210; Nanoscale, 2017, 9, 19154; Adv Funct Mater, 2020, 30, 1909014）。近期，课题组将纳米Fe2O3与聚丙烯腈（PAN）溶液混合后利用“闪速冷冻法”直接获得纳米颗粒负载量高达52.7%、介孔结构丰富（0.31-0.51 cm3/g）、机械性能良好的复合纳米膜Fe2O3@PAN。所得复合材料中纳米颗粒粒径均一（~3 nm），分散良好；复合膜的纯水通量与颗粒截留率均与PAN超滤膜保持一致，证明“闪速冷冻法”可在大幅提高纳米颗粒负载量的同时保留膜基底的过滤性能。连续操作试验表明，Fe2O3@PAN膜可同时去除水中的磷与细菌，有效处理容量可达670-800 L/m2，出水中磷含量低于20 μg/L;向出水中再次接种E.coli(>1000 CFU/mL)后24 h内即检测不到活菌(<1 CFU/mL)。吸附饱和后的Fe2O3@PAN可用10 mM NaOH溶液再生，吸附性能几乎不受影响。本研究可为高性能水处理纳米材料研制与新型饮用水消毒技术开发提供借鉴与参考。
图 1. 深度除磷抑菌双功能复合膜示意图
研究成果以“Mesoporous Polyacrylonitrile Membrane with Ultrahigh Loading of Well-dispersed Fe2O3 Nanoparticles: A Powerful Phosphate Scavenger for Inhibition of Microbial Regrowth”被膜领域知名期刊Journal of Membrane Science接收(DOI:10.1016/j.memsci.2020.118048)。论文第一作者为博士研究生潘思远，通讯作者为张孝林副教授，南京大学环境学院硕士毕业生王艺涵、本科毕业生刘佳吉、潘丙才教授为共同作者。本研究得到了国家重点研发计划-政府间国际科技创新合作重点专项与国家自然科学基金资助。