天津工业大学课题组助力反渗透膜污染问题，保持99%的NaCl脱除率！便携式芯片原子力显微镜高效表征纳米膜

发布日期：2024-10-31

文章名称：Impact of end groups of small molecules grafted to reverse osmosis membranes on their separation and antifouling performance

期刊名称：Desalination IF：8.45

DOI: https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117864

【引言】

反渗透（Reverse Osmosis, RO）技术是一种广泛应用于水处理的高效膜分离技术，可以高效去除水中溶解的盐分和单价离子。以薄膜复合聚酰胺(TFC-PA)膜为代表的高分子膜材料是RO技术的核心，对系统分离效果和运行效能起着决定性作用。然而，该材料在实际操作中面临着膜污染的问题，导致膜性能下降和寿命缩短。膜污染问题占了RO过程总成本的24%，严重影响了其经济效益。尤其是带电荷的小分子有机污染物与聚酰胺表面的强相互作用，形成致密的污垢层，显著降低膜的通量。因此，开发抗污性能的TFC-PA膜，以削弱这些污染物与膜表面的相互作用，形成水化层作为屏障，是当前技术挑战和研究的焦点。

【研究进展】

近日，天津工业大学相关课题组通过表面羟基化和甲氧基化处理，在反渗透膜上接枝了二乙醇胺(DEA)和双(2-甲氧乙基)胺(BMEA)，以增强其渗透性和抗污性能。同时，作者利用ICSPI公司的便携式芯片原子力显微镜Redux对薄膜样品进行了高效的纳米级表面形貌表征。研究结果表明，经DEA和BMEA改性的膜显著提高了水通量，达到了原生膜的1.58倍，同时保持了99%的NaCl脱除率。DEA改性膜对带正负电荷的污染物均展现出优异的抗污性能，而BMEA改性膜则对小型阳离子污染物表现出色。通过量子化学模拟，验证了接枝的羟基和甲氧基能有效降低与污染物的结合能，减轻膜污染。相关研究成果以《Impact of end groups of small molecules grafted to reverse osmosis membranes on their separation and antifouling performance》为题，在SCI期刊《Desalination》上发表。

本文使用的便携式芯片原子力显微镜-Redux简单易用，可为各类研究提供可靠的表面结构数据，加速研究进程。此外，Redux还具有体积小巧，探针耐用，无需维护等特点，适用于各类室内或户外科学研究。

便携式芯片原子力显微镜-Redux

【图文导读】

图1. 通过LbL-IP过程将DEA/BMEA接枝到聚酰胺（PA）上的示意图：首先通过间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)之间的界面聚合初步制备PA，然后通过在RO膜表面生成新的酰胺基团，将DEA和BMEA接枝到PA上。

图2.未处理过的原始及DEA/BMEA处理后的PA膜的化学成分。(a)RO膜的ATR-FTIR光谱和(b)XPS光谱表征结果。(c-f)DEA/BMEA处理后的PA膜的C和O的光谱表征结果。

图3. (a-c)未处理过的原始及DEA/BMEA处理后的RO膜的表面形态的表征结果。(d-f)使用nGauge AFM对RO膜表面形貌的表征结果。DEA/BMEA处理后的膜展现出更光滑的表面形貌。

图4. 未处理过的原始及DEA/BMEA处理后的RO膜的表面性质和分离性能表征。(a) zeta电位和(b)水接触角的表征。(c)分离性能，包括水通量和NaCl脱除率。DEA/BMEA处理后的膜显示出更好的渗透性，同时保证了脱除性率。(d)论文中制备的PA膜的分离性能与之前发表论文中的结果进行对比。

图5. PA与小分子带电有机污染物间的结合能的计算结果。计算的在一个充满水分子的系统中进行。

【结论】

综上所述，天津工业大学相关课题组通过在聚酰胺表面上接枝中性小分子DEA和BMEA，显著提高了反渗透膜的渗透性能，同时保持了约99%的NaCl脱除率。这种改性降低了膜表面的负电荷，使其对带电污染物的抗污性能提升，表现为较低的通量下降比。计算结果表面，结合能的降低能改性膜对小型有机污染物的吸附，显示出更强的抗污能力。这一突破为未来开发高效抗污RO膜提供了新思路，具有广泛的应用前景。