随着全球淡水资源短缺日益严重，高效水处理技术成为研究热点。膜分离技术因其无需化学试剂、能高效去除污染物而被广泛应用于饮用水净化和废水处理等领域。在超滤膜过程中，水在外加压力作用下通过半透膜，而大分子污染物、胶体、微生物等被截留在膜的一侧，从而实现水与杂质的分离。在膜技术中，膜材料的结构和性能直接决定了处理效率，因此不断探索新材料以提升膜性能具有重要意义。

PART. ONE

纤维素是一种天然、丰富且可再生的高分子材料。经过化学或机械方法处理可将纤维素转化为纳米级的形态，包括短棒状的纳米晶体（CNC）和长纤维状的纳米纤维（CNF）。CNC通常通过酸水解获得，尺寸约为10–20 nm宽、300–900 nm长；而CNF则通过机械研磨等制备，尺寸约为10–20 nm宽、2–3 μm长。这两种纳米纤维素均来自可再生植物资源，具有丰富的羟基基团（–OH），亲水且可生物降解，被视为“绿色”纳米增强剂。此外，纳米纤维素具有高力学强度和良好的分散性，将其引入高分子膜中有助于提高膜的刚性和亲水性，从而可能改善膜的通量和抗污染性。

PART. TWO

本研究采用非溶剂诱导相分离法（NIPS）制备平板PSf/PVP膜。具体地，将20 wt%聚砜（PSf）和5 wt%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解于二甲基甲酰胺（DMF）中，充分搅拌均匀制成聚合物溶液，然后在干玻璃板上刮涂并浸入水浴，使膜形成。

将不同含量（0.5%、1%）的CNC、CNF或CNC/CNF混合物加入溶液中，同样条件制膜。得到的膜经水洗、干燥后进行表征：采用扫描电镜（SEM）观察膜表面形貌，原子力显微镜（AFM）测量膜表面粗糙度，X射线衍射（XRD）分析膜的结晶结构。PSf/PVP基膜的SEM表面形貌：(a) 未改性膜；(b) 加0.5% CNC；(c) 加1% CNC；(d) 加0.5% CNF；(e) 加1% CNF；(f) 加0.5% CNC+0.5% CNF。

未经增强的PSf/PVP膜表面孔隙度较高，而加入纳米纤维素后膜表面孔洞明显减少，结构更加致密。这主要是因为加入CNC或CNF后，膜溶液的黏度增加，相变过程中相分离速度减缓，形成了致密的膜表面。图4中，纯PSf/PVP膜（a）的表面可见较多大孔（孔径较大），而0.5%/1% CNC增强（b、c）后，大孔基本消失；0.5%/1% CNF增强（d、e）也显著降低了表面孔隙度，但高含量CNF（CNF-1）膜表面出现了纳米纤维素的聚集体。当同时引入CNC和CNF（f）时，表面孔隙几乎完全消失，仅见极少聚集体。总体来看，纳米纤维素增强使膜表面更加致密，有利于提高分离精度但可能略降低渗透通量。

PSf/PVP基膜的AFM表面形貌（2D和3D）：展示了未改性膜(a)与不同纳米纤维素增强膜的峰谷结构。AFM进一步表征了膜的表面粗糙度。

结果显示，纯PSf/PVP膜表面较为粗糙（平均粗糙度 Ra\approx5.94\,nm），而引入CNC/CNF后膜的“峰谷”差异减小，表面更光滑。具体而言，各种纳米增强膜的Ra、Rrms、Rz大幅低于原膜（降至1–3 nm数量级），但当增强剂含量从0.5%提高到1%时，由于聚集体增多，粗糙度有所回升。较粗的表面通常易于黏附污染物，而更平滑的纳米增强膜面则可能减缓污染物沉积，有助于提高抗污染性。

PART. THREE

根据力学测试和过滤实验，纳米纤维素的加入对膜性能产生了多方面影响：

纯PSf/PVP膜的弹性模量最低，仅约 28.1\pm1.3\,$MPa。随着纳米纤维素含量的增加，膜的刚性显著提高：加入0.5% CNC后，弹性模量增长约51%；1% CNC时增幅达133%。CNF的增强效果更明显：PSf/PVP/CNF-1膜的弹性模量高达 $70.63\pm3.15\,$MPa，抗拉强度也达 $3.69\pm0.15\,$MPa，为所有样品之最。这些结果表明，纳米纤维素作为高模量增强相，能显著提高基膜的力学强度和韧性。

在3bar压力下测试纯水通量PSf/PVP基膜约为$433.9\pm18.7\,$L/m²·h

添加0.5% CNC后，纯水通量升至 $475.5\pm17.8\,$L/m²·h（增加约9.6%）；对应湖水通量也提高约12.9%。整体来看，CNC增强对提高通量更有效，而CNF膜的通量提升相对有限。值得注意的是，PSf/PVP/CNC-0.5膜具有最高的通量（475.5 L/m²·h），同时抗污染能力亦最佳（见下文），体现了性能的良好平衡。

使用湖水进行污染测试，并计算通量恢复率（FRR）及污染比。基膜PSf/PVP的FRR约为91.5%。引入CNC/CNF后，所有增强膜的FRR均有所提高，低含量（0.5%）增强的膜通常优于1%时的膜。其中，0.5% CNC增强膜表现最佳：其总污染率（Rt）最低，不可逆污染（Rir）占比也最小，FRR最高。换言之，PSf/PVP/CNC-0.5膜恢复性能最佳，说明其表面对污染物吸附较弱、易于清洗。由SEM和AFM可知，该膜表面光滑且纳米纤维分散均匀，这也有助于减少污染物沉积。因此，适量添加纳米纤维素能够有效提高膜的抗污染能力。

通过测定湖水透过液的UV254吸光度和总有机碳（TOC）浓度评估膜的有机物去除能力。结果表明，所有纳米增强膜在UV254和TOC去除上均优于未改性的PSf/PVP膜。具体而言，纳米增强膜的UV254去除率在37.6%–53.9%之间，TOC去除率在46.2%–65.6%之间。其中PSf/PVP/CNC-1膜去除效率最高，UV254去除率约53.9%，TOC去除率达65.6%，明显优于基膜（分别约37.6%和46.2%）。这意味着纳米纤维素增强不仅提高了膜的过滤通量，也增强了对天然有机物等溶解有机污染物的截留能力，有利于进一步净化水质。

PSf/PVP基膜与纳米纤维素增强膜对湖水中有机物的去除效率：浅灰柱为UV254吸收去除率，深灰柱为TOC去除率。可以看出，CNC/CNF增强膜均显著高于未改性膜，且PSf/PVP/CNC-1性能最佳

PART. FOUR

该研究的创新点在于结合实验与多种理论模型对纳米增强膜的性能进行全面分析。作者不仅首次系统地考察了不同含量的CNC、CNF增强对20%PSf/5%PVP膜力学和分离性能的影响，还通过有限元（FEM）、Mori–Tanaka均匀化、Halpin–Tsai等多种模型对膜的弹性模量进行了预测。结果表明，有限元模型与实验值吻合最好，其次是Mori–Tanaka方法。这一结合数值模拟和实验的方法，为未来膜材料的设计与优化提供了有力工具：在实验制膜前可先通过软件预测膜的力学性能，节省时间和材料成本。

综上所述，通过引入可再生的纳米纤维素作为增强剂，研究团队成功制备了性能优异的PSf/PVP纳米复合膜。这些膜在保持高通量的同时具有更强的机械强度、更好的有机污染物去除能力和抗污染性能。未来，这类纳米增强膜有望应用于饮用水净化、工业废水处理等领域。例如，可用于工业废水回用系统中去除有机污染物，或作为预处理膜减少后续反渗透膜的污染负担。随着纳米材料制备成本的降低和膜工程技术的发展，利用绿色纳米增强剂改性的复合膜必将在高效、可持续水处理方面展现出广阔前景。