随着石化、印染等工业的迅速发展，同时含有油、染料、无机盐及微生物的大量复杂废水被排放，这给传统膜分离材料带来了严峻挑战：在高温、强酸碱、微生物污染等恶劣条件下，普通的纤维膜易发生受污堵塞、失效甚至结构破坏，难以兼顾高通量、高选择性与长期稳定运行的要求。通过改性，静电纺丝所制纳米纤维膜可以调控纤维膜的表面性质和孔径结构，进而提升分离效率和选择性，以适应不同水处理场景的需求。因此，对膜材料开展多功能化改性，研究其在恶劣环境中的耐受性，是提升膜材料废水处理性能的重要途径。

近日，针对这一问题，成都大学王盼副教授团队在《Advanced Functional Materials》发表最新成果“Double-Sided Electrostatically Spun Fiber Membrane Fabricated by A-Side: Ag@PDA/PEN-BPA, B-Side: TiO₂/PEN-B/P for Oil-Water Separation with Performance of Antimicrobial and Photocatalytic Self-Cleaning in Harsh Environments”。该研究基于连续静电纺丝技术，成功构筑了一个结构精巧的 AB 双面纤维膜材料：A 面为 Ag@PDA/PEN-BPA，侧重强亲水性和高效抗菌性能；B 面为 TiO₂/PEN-B/P，侧重光催化降解有机污染物与自清洁功能，两侧功能互补，应对含油、染料、微生物等复杂成分的恶劣污水处理场景，有效解决传统膜易污染、失效的难题。第一作者：王梦雪；通讯作者为成都大学王盼副教授。

图1： Ag@PDA/PEN- TiO₂ /PEN-B/P双面纤维膜制备工艺流程图。

本研究构筑的一种具有多重功能的 Ag@PDA/PEN–TiO₂/PEN-B/P 双面纤维膜，其中A 面基底采用特种高分子材料PEN-BPA，首先通过 Tris-HCl 溶液预润湿以增强聚多巴胺（PDA）在纤维上的附着，然后进行 PDA 亲水改性，并通过原位还原负载银纳米颗粒（Ag NPs），在显著提升亲水性的同时，大幅增加 Ag NPs 的附着位点，从而有效增强膜的抗菌性能。B 面采用同样为特种高分子材料，含亲水性羧基（–COOH）基团的共聚物 PEN-B/P 作为基体，并在静电纺丝过程中引入 TiO₂ 赋予材料优异的光催化和膜面自清洁特性。

图2：A面PEN纳米纤维膜的SEM图像（a）以及相应的直径统计分析（b）, 加载PDA后PDA/PEN的SEM图像（c），以及相应的直径统计分析（d）,加载Ag NPs后Ag@PDA/PEN的SEM图像（e），局部放大图（f）以及相应的EDS元素图谱（g）和直径统计分析（h）, PEN-BPA纳米纤维膜的2D和3D AFM图像（i，j），Ag@PDA/PEN纤维膜的2D和3D AFM图像（k，l）。

图3：B面PEN-B/P纳米纤维膜的SEM图像以及相应的直径统计分析（a）, 掺杂不同比例TiO2的SEM图像以及相应的直径统计分析（d-f），PEN-B/P纳米纤维膜的2D和3D AFM图像（g，h），DM-2%纤维膜的2D和3D AFM图像（i，j）。

图4：纤维膜的染料吸附性能：对MB的光催化效果（a），对Rh B的光催化效果（b），对MO的光催化效果（c），对MB每30 min间隔的光催化效果（d），B面的Zeta电位（e），对MB进行五次循环处理的光催化效果与纤维膜使用前后实物图（f）。

在本研究中发现，该纤维膜具有良好的光催化自清洁和循环稳定性。在处理 MB 溶液时，2.5 h 内可基本降解完全，但因膜具有一定吸附作用，表面仍残留少量染料。将使用过的纤维膜置于清水中，在氙灯下继续照射 1 h，即可完全降解膜上的 MB，颜色由淡蓝恢复为白色（图 4f），体现出优异的自清洁能力。以 MB 为模型污染物进行 5 次循环光催化实验后，纤维膜对 MB 的降解效率仍保持在 99% 以上，表明其具有良好的可重复利用性和长期稳定工作能力，在染料废水处理方面具有较大应用潜力。

图5：油水乳液经纤维膜分离前后的电子显微镜照片(a), DM-2%样品在不同条件下的乳液通量(B),十次循环的通量以及对应的分离效率(c)，不同恶劣环境中的分离效率(d)。

高通量与分离效率：如图 5b 所示，油水乳液通量约为 5180.34 L·m⁻²·h⁻¹；盐水浸泡后略降至 4875.66 L·m⁻²·h⁻¹，主要由于 NaCl 结晶部分堵塞孔道；高温浸泡后通量略升至 5304.85 L·m⁻²·h⁻¹，可能与孔隙结构微调和润湿性增强有关，但未见明显差异。

循环使用性能：以 TOC 评估油水分离效果，采用同一复合膜连续进行 10 次油水分离实验（图 5c）。十次循环后通量为 4840.81 L·m⁻²·h⁻¹，仅下降约 6.62%，分离效率仍高于 99%，表明膜具有良好的抗污染性和可重复利用性。此外，将纤维膜置于两种真实的工业废水中数天后评价了浸泡前后复合膜的化学结构、力学强度、玻璃化转变温度、形态变化等，复合膜均表现出良好的稳定性。

耐恶劣环境能力：在强酸（pH 1）、强碱（pH 14）以及石油醚/水乳液中，DM-2% 复合膜的截留率仍保持在 99% 以上（图 5d），展现出优良的化学和溶剂稳定性。在盐水和高温条件下，虽分离效率略有下降，主要归因于乳液性质与膜微结构变化，但整体仍维持较高水平。

材料与结构优势：PEN 骨架具有优异的化学、热和尺寸稳定性，适合作为纤维支撑层；PDA 涂层通过共价键和交联增强膜的整体耐久性，其酚羟基的强粘附与金属结合能力确保 Ag NPs 稳定负载，从而进一步提升了纤维膜的结构稳定性和使用寿命。两种PEN均为特种高分子聚芳醚腈，材料分子结构的相似性促使了双面纤维膜能够在连续纺丝过程中紧密的结合在一起，从而赋予了其优异的结构稳定性。

图6：(a)抗菌性能照片，(b)以及相应的抑制率，（c）Ag NPs致使大肠杆菌凋亡机理图。

在实际应用时，面对恶劣环境能否实现长效抗菌是一个不容忽视的方面。因此，我们将油水分离后，光催化降解染料后以及高温NaCl浸泡后三种不同恶劣环境使用后的样品进行了抗菌测试。同样的，抗菌率均达到99.99%以上（图6b），验证了AB复合膜在不同的水处理环境中具有长期的抗菌效果。结合之前的渗透、分离和光催化性能，其抗菌效果对受微生物污染的工业废水具有积极作用。

表明所开发的双面复合膜能承受强酸（pH=1）和强碱（pH=14）乳液、极性有机溶剂/水、高温条件和多次重复使用。充分证明了其在复杂恶劣条件下集高效分离、光催化和长效抗菌于一体的多功能协同效应及优异的化学、热稳定性，为复杂、恶劣环境下的工业废水处理提供了极具前景的材料选择。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202504574

人物简介：

王盼，成都大学机械工程学院副教授，硕士生导师，入选成都市科协专家服务团，烟台开发区创新创业领军团队。研究方向为特种高分子及其高性能纤维复合材料，主持国家自然科学基金项目，四川省自然科学基金项目，工程中心开放课题及企业委托开发项目共7项；发表SCI论文70余篇，引用1000余次，H指数17；授权发明和实用新型专利10余项。

王梦雪，成都大学材料与化工硕士，目前为中国石油大学（华东）化学工程与技术学术博士二年级在读，主要研究方向为高分子静电纺丝纤维膜材料的功能化及其废水处理应用。目前已发表SCI论文10余篇，授权发明和实用新型专利数项；其中此文章为第一作者身份发表在《Advanced Functional Materials》，IF 19。