随着工业化发展，废水处理成为环保关键问题。传统方法存在效率低、成本高、二次污染等不足。纳米技术，尤其是纳米复合膜技术，因其高效、环保、可重复使用等优势，成为研究热点。ZnO作为一种多功能半导体材料，具有光催化活性和抗菌性能，其纳米结构在提高膜通量、抗污染和抗菌性能方面表现出色。

本研究通过制备ZnO-PAN复合膜，探索其在废水处理中的染料去除效率和抗污染性能，旨在为水处理技术提供新解决方案。该研究由云南省生态与环境科学研究院赵润、云南云天化股份有限公司宗世荣（通讯作者）、马庆福、徐振玲及袁家宏合作完成，相关成果以《ZnO基复合膜在染料去除中的电催化性能研究》（Investigating the Electro catalytic properties of ZnO-Based composite membrane for dye removal）为题，发表于2025年《科学报告》第15卷（Scientific Reports, 2025, 15: Article number 6306）。核心研究成果展示如下。

一：核心研究成果

（1）ZnO-PAN复合膜的开发与性能提升

在本研究中，通过静电纺丝开发了一种新型的ZnO-PAN复合膜，通过将氧化锌（ZnO）与聚丙烯腈（PAN）结合，显著提升了膜在水处理中的电催化和渗透性能。ZnO的引入极大地增强了膜的水处理能力，实现了高渗透性和极高的水通量。

ZnO的引入：ZnO作为一种半导体材料，具有优异的光催化活性和抗菌性能。在本研究中，ZnO纳米颗粒均匀分布在PAN纤维表面，显著提高了膜的电催化性能。通过物理气相沉积（PVD）技术，ZnO纳米颗粒成功沉积在PAN纤维膜上，形成了ZnO-PAN复合膜。X射线衍射（XRD）分析表明，复合膜的主要晶相为ZnO，对应的晶面指数为100、002和101（图1）。

高渗透性和水通量：实验结果表明，ZnO-PAN复合膜的水通量显著高于纯PAN膜。随着ZnO沉积时间的增加，膜的孔径逐渐减小，进一步提高了膜的截留率，但同时也导致水通量的降低。在最佳沉积时间（10分钟）下，复合膜的水通量达到1140 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，显示出优异的渗透性能。

（2）电催化耦合实验

电催化耦合实验揭示了ZnO-PAN复合膜在去除小分子染料方面表现出显著的效率，同时保持稳定的水通量，突显了其在推进水处理技术方面的巨大潜力。

电催化性能：ZnO-PAN复合膜在不同电压下表现出不同的电催化性能。在30 V时，复合膜的染料去除率达到最高，为99%。循环伏安（CV）和电化学阻抗谱（EIS）测试结果表明，随着电压的增加，复合膜的电流响应增强，电荷转移阻抗降低，表明电催化性能显著提升。

染料去除效率：在电催化稳定性测试中，初始有机物含量分别为：刚果红（CR）28.53 mg/L、罗丹明B（Rh B）14.89 mg/L、日落黄（YS）9.62 mg/L、甲基橙（MO）11.47 mg/L和亚甲基蓝（MB）13.16 mg/L。经过10小时的电催化处理后，不同染料溶液的有机物含量均降低了90%（图4）。

（3）长期运行稳定性

此外，复合膜在长期运行期间的电催化性能保持稳定，表明其具有广阔的应用前景。

长期稳定性测试：在10小时的电催化处理中，ZnO-PAN复合膜对不同染料的去除效率保持稳定，显示出良好的电催化稳定性。实验结果表明，复合膜在不同电压下对染料的去除效率均超过90%，表明其在长期运行中具有良好的性能。

机械稳定性：电化学条件对复合膜的机械性能有一定影响。随着电压和处理时间的增加，膜的拉伸强度逐渐降低。在30 V电压下处理20小时后，膜的拉伸强度降至28 MPa，表明在高强度电化学条件下，膜的机械性能会有所下降（表1）。

（4）抗污染性能

该膜还在电场作用下展现出卓越的抗污染能力，验证了电催化作为一种可持续且有效的膜清洁方法的效能。

抗污染性能测试：通过甲基蓝（MB）过滤实验，发现ZnO-PAN复合膜在电场作用下通量恢复率可达85%，且膜表面污染物沉积较少，孔径变化较小，表明复合膜具有良好的抗污染能力（图6）。

抗污染机制：ZnO的引入提高了膜的亲水性和表面活性位点，减少了污染物在膜表面的吸附。此外，电场作用进一步增强了膜的抗污染能力，通过电清洗技术可以有效去除附着的污染物，恢复膜的通量（图7）。

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二：未来研究方向

在本研究中，开发了一种新型的ZnO-PAN复合膜，通过将氧化锌（ZnO）与聚丙烯腈（PAN）结合，显著提升了膜在水处理中的电催化和渗透性能。研究结果表明，ZnO的引入极大地增强了膜的水处理能力，实现了高渗透性和极高的水通量。电催化耦合实验揭示了ZnO-PAN复合膜在去除小分子染料方面表现出显著的效率，同时保持稳定的水通量，突显了其在推进水处理技术方面的巨大潜力。此外，复合膜在长期运行期间的电催化性能保持稳定，表明其具有广阔的应用前景。该膜还在电场作用下展现出卓越的抗污染能力，验证了电催化作为一种可持续且有效的膜清洁方法的效能。

这些发现突出了ZnO-PAN复合膜在渗透性、电催化活性和抗污染性能方面优于传统材料的优势，从而推动了复合膜在水处理中的应用。本研究的创新之处在于通过电催化耦合技术显著提高了染料去除率和膜稳定性，展示了复合膜在处理复杂水基质方面的潜力。未来的研究应专注于优化制备工艺、材料选择和生产技术，以进一步提升膜的结构稳定性、分离性能和成本效益。

查阅链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-75153-2

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