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2026

JECE｜界面调控域控制反渗透膜对海水淡化的影响：数值分析与模拟研究

作者：

英文题目

Effect of interfacial regulatory domain-controlled reverse osmosis membrane on desalination: A numerical analysis and simulation study

界面调控域控制反渗透膜对海水淡化的影响：数值分析与模拟研究

· 期刊名称：Journal of Environmental Chemical Engineering

· 发表日期：2025年

· DOI号：10.1016/j.jece.2025.120162

摘要内容

聚酰胺（PA）反渗透（RO）膜因其优异的性能被广泛应用于海水淡化领域，但通过控制膜的微观结构来实现**分离性能仍然是一个重大挑战。本文开发了一种简便的共溶剂域控制方法，通过调控界面聚合环境，制备出微观结构可调的RO膜，从而展现出优异的淡化性能。PA-三乙胺（TEA）膜的水通量达到54.5 L·m⁻²·h⁻¹（LMH），比PA膜（21.1 LMH）提高了158.5%，同时NaCl截留率高达98.7%，超过了现有结构改性的RO膜。本研究通过一系列互补的技术手段，系统考察了不同共溶剂和pH条件对改性膜微观结构和分离性能的影响。分子动力学模拟和实验数据分析表明，合适的界面调控剂不仅可以调控有机单体浓度以精细调节活性层的交联度和孔结构，还能引入额外的亲水位点促进水分子传输，从而提升整体水传输效率。本研究通过优化膜的微观结构来提升分离性能，该思路已成为RO膜研究领域的关键方向，所获得的发现提供了独特而宝贵的见解，可为后续研究提供重要参考。

研究背景与意义

反渗透膜在海水淡化、资源回收、生物医药和污水处理等领域应用广泛，其分离效率和抗污染能力仍有待进一步提升。聚酰胺反渗透膜通常通过间苯二胺（MPD）与均苯三甲酰氯（TMC）在界面处聚合而成，但传统界面聚合过程反应迅速且难以控制，膜的微观结构如表面形貌、活性层厚度及孔径分布等关键特性直接影响分离性能。近年来，关于RO膜微观结构中是否存在孔隙的争论持续多年：早期Lonsdale等人认为RO膜为致密无孔结构，并提出了溶解-扩散模型；而1970年Sourirajan则提出优先吸附-毛细流动机制，认为合适尺寸的孔隙可实现筛分。本研究通过引入界面调控剂，系统探索了不同酸碱及醇类添加剂对界面聚合过程的调控作用，创新性地提出了界面调控剂域控界面聚合（IDCIP）策略，实现了对聚酰胺活性层微观结构的调控，同时提升了水通量和盐截留率，为解决膜分离中普遍存在的“渗透性-选择性权衡”问题提供了新思路。

实验步骤

膜制备过程：以聚砜（PSF）超滤膜为基底，使用前在水中浸泡12小时。将处理好的PSF膜四边折叠成盒状平铺于玻璃板上，均匀倾倒入含2.5 wt% MPD和0.12 wt% SDS的水相溶液，保持2分钟后倒掉水相，再轻轻加入含0.1 wt% TMC的正己烷有机相溶液，反应1分钟生成活性层。将制备好的膜转移至70℃烘箱中处理5分钟，使反应完全并干燥膜表面溶剂，最后用水冲洗后储存于去离子水中备用。对于界面调控剂域控界面聚合（IDCIP）过程，在传统界面聚合基础上，分别向水相中加入不同种类和浓度的界面调控剂：异丙醇（IPA）以10%~50%的浓度添加；三乙胺（TEA）或氢氧化钠（NaOH）水溶液（1 mol/L）用于调节水相pH至9.5、10、10.5和11；盐酸（HCl）水溶液（1 mol/L）用于调节水相pH至8.5、7.5和6.5。使用调整后的水相溶液进行界面聚合，制备得到PA-IPA、PA-TEA、PA-NaOH和PA-HCl改性RO膜。通过X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、接触角测试等手段对膜的表面化学组成、微观形貌、粗糙度、亲水性和活性层厚度进行表征，并利用分子动力学模拟研究不同交联度PA链与水分子之间的相互作用。

主要结果与结论

PA-TEA膜的水通量达到54.5 LMH，NaCl截留率为98.7%，相比未改性PA膜（21.1 LMH，97.9%）分别提升158.5%和0.8%。PA-IPA膜水通量达53.9 LMH，PA-NaOH膜为45.7 LMH（截留率98.1%），PA-HCl膜为47.6 LMH（截留率96.5%）。PA-TEA膜的抗污染性能显著提升，三次循环后总通量下降率仅为12.1%（PA膜为33.3%），通量恢复率达94.8%（PA膜为74.0%）。80小时长期运行稳定性测试表明，PA-TEA膜的归一化通量保持在0.90以上，NaCl截留率稳定在98.0%以上。通过调控界面聚合条件，PA-TEA膜在pH 10.5时获得**选择性（A/B = 5.31 bar⁻¹），PA-IPA膜在20% IPA添加量下获得最佳选择性（4.15 bar⁻¹）。研究表明，通过界面调控剂优化界面聚合环境，可以精准调控聚酰胺活性层的交联度、孔隙率、厚度及表面形貌，实现高水通量和高盐截留率的协同提升。

详细机理

分子动力学模拟结果显示，线性结构的聚酰胺分子链相较于交联结构，在羧基氢原子和氧原子周围表现出显著更大的正电势和负电势，这些由酰氯基团水解产生的羧基赋予PA分子链更强的分子内极性，为水分子的跨膜传输提供了丰富的传输位点。构建交联度分别为75%（模拟未改性PA膜）和65%（模拟PA-TEA膜）的聚合物网络模型进行模拟，结果表明PA-65体系与周围水分子之间形成了127个氢键，占总氢键的8.7%，而PA-75体系仅形成91个氢键（占6.2%），说明低交联度结构能增强聚合物与水分子间的相互作用。径向分布函数（RDF）分析表明，水分子在羧基周围的配位数显著高于酰胺基团，且PA-65体系中各峰的强度均高于PA-75体系，证明更多羧基赋予了更强的“捕水”能力。自由体积（FV）分析显示，PA-65体系的Connolly表面自由体积（4.96 nm³）和孔隙率（13.35%）均高于PA-75体系（4.59 nm³，11.90%）。实验表征进一步证实，TEA在IDCIP过程中发挥了双重作用：在反应初期，TEA促进TMC水解，形成交联度较低、自由体积较大的疏松中间层；在反应后期，TEA作为酸受体中和界面聚合产生的HCl，促使更多MPD单体扩散透过早期中间层，形成均匀致密的表层结构，最终构筑出“中间疏松、表层致密”的活性层结构。同时，TEA诱导生成的大量羧基显著增强了膜表面的亲水性（PA-TEA膜接触角58.7°，低于PA膜的68.4°），这种独特的微观结构协同亲水特性，共同实现了水通量和盐截留率的同步提升。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Pv2pp4JC12lDakKbbTzb0A