中文 EN

新闻资讯

NEWS CENTER

首页

2026

IECR｜不同无纺布支撑层对薄膜复合膜耐碱性的影响：实验评价与数值模拟

作者：

英文题目：

Alkali Resistance of Thin-Film Composite Membranes with Different Nonwoven Fabric Supports: Experimental Evaluation and Numerical Simulation

中文题目：

不同无纺布支撑层对薄膜复合膜耐碱性的影响：实验评价与数值模拟

期刊信息：Industrial & Engineering Chemistry Research

发表日期：2025年12月24日

DOI: 10.1021/acs.iecr.5c03401

摘要内容：

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）无纺布（NWF）广泛用作薄膜复合（TFC）膜的支撑层，但其酯键在碱性条件下易发生水解，削弱膜在化学清洗中的稳定性。本研究在聚丙烯（PP）和PET基材上制备TFC膜，通过实验与模拟系统表征。将膜置于80 °C、20 wt % NaOH中浸泡25 min后，PP-TFC膜对Na₂SO₄截留率仍达96.75%，而PET-TFC膜降至86.12%；前者的拉伸强度接近后者的三倍。模拟进一步表明PP基材对OH⁻具有更高抗性，可减缓聚酰胺（PA）层背面降解。结果凸显NWF支撑层在提升TFC膜化学稳定性中的关键作用，为碱性环境下延长膜寿命提供实用指导。

研究背景与意义：

工业废水排放与人口增长使清洁水资源日益紧缺，膜分离因高效、低能耗成为主流，但结垢迫使化学清洗频繁进行，碱性清洗剂会水解PET无纺布中的酯键，导致支撑层力学崩溃、PA层剥离，最终性能骤降。尽管已有研究关注基材整体或超滤层对膜性能的影响，但单独考察NWF层在耐碱清洗中的作用仍是空白。本研究首次系统对比PP与PET-NWF构建的TFC膜，通过极端全浸碱处理结合数值模拟，明确NWF层对膜寿命的决定性影响，提出用PP-NWF替代PET-NWF的创新策略，为工业碱耐受膜设计提供直接依据。

实验步骤：

膜制备：采用界面聚合（IP）法。NF膜——将PIP 1 wt/v %水溶液倾于已浸水24 h的PES基材表面，静置3 min，橡胶辊除液后，加入0.15 wt/v % TMC/正己烷溶液，反应15 s；RO膜——MPD 0.5 wt/v %水溶液与0.1 wt/v % TMC/正己烷溶液反应60 s。PET-NWF与PP-NWF对应的基材分别记为Sub-PET与Sub-PP，所得膜对应标记为PET-TFC与PP-TFC。碱处理：NF膜在30 °C、6 wt % NaOH中浸泡20 min；RO膜在80 °C、20 wt % NaOH中浸泡25 min。随后用SEM、AFM、XPS、拉伸试验、错流过滤（5 bar for NF, 10 bar for RO, 25 °C, 2000 ppm Na₂SO₄/NaCl）等手段表征形貌、化学结构、力学与分离性能；并以有限体积法建立二维瞬态扩散模型，耦合Bruggeman方程实时更新孔隙率，模拟OH⁻在NWF-PES-水三层中的扩散过程。

主要结果与结论：

碱处理后，PET-NWF厚度由133 μm骤降至60 μm，纤维溶蚀出现孔洞，拉伸强度损失>40%；PP-NWF仅减15 μm，强度保持>97%。对应膜性能：NF-PET-II的Na₂SO₄截留率由97.8%跌至83.9%，MWCO升至1712 Da；NF-PP-II仍维持97.8%，MWCO几乎不变。RO-PET-II截留率下降12.1%，PA层厚度减60 nm，表面粗糙度由17.3 nm降至7.9 nm；RO-PP-II仅降0.8%，厚度减30 nm，粗糙度仍保留叶片状结构。模拟显示相同时间内Sub-PET背面OH⁻浓度为Sub-PP的2倍，直接证明PP-NWF显著抑制OH⁻渗透。综上，PP-NWF通过“阻碱-保力学-护PA”三重作用，将TFC膜碱性寿命延长数倍。

详细机理：

碱性环境中OH⁻对PA层实施“双向攻击”：传统研究只关注膜面正向侵蚀，而本工作揭示支撑层侧反向侵蚀同样关键。PET-NWF的酯键被OH⁻亲核攻击，纤维溶蚀→孔径增大→厚度减薄→力学崩溃；失去机械约束后，PA层背面暴露于更高OH⁻浓度，酰胺键水解，交联密度下降，出现局部剥离与减薄，最终导致截留率骤降。PP-NWF因甲基屏蔽作用无酯键，纤维几乎不被侵蚀，保持高拉伸强度与低孔隙变化，OH⁻扩散系数持续较低；反向侵蚀被抑制，PA层背面交联密度、厚度与表面荷电性能得以保持，膜整体在碱洗后仍维持高盐截留与通量稳定性。数值模拟进一步量化：PP-NWF使OH⁻在25 min、距PA层背面0.5 cm处浓度降低约50%，为实验现象提供直接证据。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/JSL9PaWjG1dB9tQ2KL_I2Q