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水中微生物污染严重威胁人类健康。氯消毒法成本低廉、消毒效率高,是目前最常用的微生物控制技术;但易产生消毒副产物,且消毒后的水在储存过程中易再次滋生细菌。磷是细菌生长的必需营养元素,当水中磷元素含量降低到一定含量(<20 μg/L)时细菌将因缺乏营养元素而难以生长甚至死亡。通过深度除磷从而实现微生物污染控制的方法(即“饥饿法”)不仅可避免产生消毒副产物,且可有效防止细菌的再次滋生。目前“饥饿法”除菌一般利用纳米La(Ⅲ)氧化物杂化膜的深度除磷功能实现。La(Ⅲ)氧化物具有很高的除磷效率,却面临成本较高、再生困难等问题;且吸附磷后易转变为LaP04,纳米颗粒(NPs)形貌、尺寸变化较大,易引起载体孔结构的严重堵塞。另一方面,纳米Fe(Ⅲ)氧化物来源广泛、价格低廉、对磷具有较强的专属吸附作用,具备应用于杂化膜实现深度除磷的潜力。膜分离过程中污染物与NPs接触时间较短,为实现水中磷的深度净化,需进一步提高纳米Fe(Ⅲ)氧化物吸附除磷活性及在杂化膜中的含量。然而,现有聚合物基纳米复合材料一般通过原位沉积法制得,难以有效控制NPs尺寸从而提高除污活性;此外,提高NPs负载量通常会导致聚合物载体孔结构的严重堵塞,并引起NPs团聚等现象,大大降低了 NPs活性位点的利用效率,甚至会造成除污性能的严重下降。目前,尚未见可满足深度除磷除菌需求的Fe(Ⅲ)氧化物杂化膜等相关报道。本文首先以系列介孔硅材料为载体,通过原位生长法获得平均尺寸分别为3.0 nm、6.0 nm及20 nm的氧化Fe(Ⅲ)颗粒,并以As(Ⅴ)为目标污染物重点关注了 NPs尺寸对其吸附活性的影响规律。静态吸附试验表明,NPs对污染物的最大吸附容量随颗粒尺寸降低而显著上升;电位滴定结果显示,NPs尺寸越小,表面位点密度越高,且活性位点的利用效率也随之上升;在不同pH、竞争离子浓度等条件下,NPs的尺寸效应依然显著。以上结果显示,降低Fe(Ⅲ)氧化物NPs尺寸可大幅提高除污活性。随后,本文利用反相微乳液法获得平均粒径约3.0 nm的Fe2O3 NPs,与聚丙烯腈(PAN)溶液混合均匀后迅速液氮冷冻后构建了一种NPs负载量高、介孔结构丰富的纳米杂化膜Fe2O3@PAN。N2-吸脱附试验表明Fe2O3@PAN的孔径分布较为集中,平均孔径及比表面积随着NPs质量分数的提高(10-30 wt%Fe)而略有上升(6.6-11.9 nm,134.8-182.0 m2/g);SEM-EDS 与 TEM 结果表明 Fe2O3 NPs 在杂化膜中分布均匀且分散良好,形貌、尺寸与负载前无显著差异,未出现明显团聚。电位滴定结果表明随着负载量升高(10-30 wt%Fe),Fe2O3@PAN的可利用活性位点密度几乎保持不变(～1.5 mmol/g Fe),且显著高于非负载型Fe2O3 NPs(～0.83 mmol/g),这主要与Fe2O3NPs在水中发生了严重团聚(水力学直径～380 nm)有关。XPS Ols结果表明,Fe2O3@PAN中活性羟基(Fe-OH)比例(57.0%)约为Fe2O3 NPs的2倍(34.2%)。静态吸附试验表明,Fe2O3@PAN对磷酸根的饱和吸附量随NPs负载量增加(10-30 wt%Fe)而显著增大(2.18-5.56 mg/g),归一化吸附量几乎不变(～19.3 mg/g Fe),且显著高于非负载型Fe2O3NPs(16.9 mg/g Fe)。以上结果表明,通过“闪速冷冻法”制得的Fe2O3@PAN膜可较好地解决纳米杂化膜中NPs负载量与其活性位点利用效率间的矛盾。将制得的Fe2O3@PAN膜配置到杯式过滤器中处理含有磷与细菌(E.coli)的模拟污染水。操作压为0.1 MPa时,通量约为10 L/m2·h且在使用过程中始终保持恒定,出水中细菌含量可稳定控制在1 CFU/mL以下。以出水中磷浓度低于20μg/L为标准,Fe2O3@PAN膜的有效处理容量分别达160 L/m2(10 wt%Fe)、270 L/m2(20 wt%Fe)及660 L/m2(30 wt%Fe);出水具有较强的生物稳定性,向出水中再次接种E.coli(>103 CFU/mL)后24 h内即检测不到活菌(<1 CFU/mL)。共存阴离子如Cl-、NO3-及SO42-对Fe2O3@PAN的深度除磷性能影响较小,且在处理前后含量变化较小。利用0.1 M NaOH溶液循环再生使用4次后,Fe2O3@PAN对磷的深度净化容量仍能保持83%以上。本文有望为高负载量纳米杂化膜及新型饮用水除菌技术的开发提供参考。