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2026

Nature Communications｜陶瓷超滤膜的孔隙堵塞污染机制

作者：

英文题目

Reconstruction and Analysis of Pore Blockage Fouling in Ceramic Ultrafiltration Membranes through FIB-SEM

中文题目

通过 FIB-SEM 重建与分析陶瓷超滤膜的孔隙堵塞污染机制

发表期刊：Nature Communications

发表日期：2025 年 12 月 4 日

DOI：10.1038/s41467-025-67662-z

摘要内容

孔隙堵塞污染严重影响超滤（UF）效率。本研究开发了一种聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）断层扫描策略，能够精确重建陶瓷膜孔隙内有机污染物的三维结构。FIB-SEM 实现了 2×2×5 nm³ 的体素分辨率，清晰揭示了陶瓷超滤膜的三层结构，并捕捉了孔隙堵塞污染的动态演变过程。研究表明，膜的顶部和中间层界面是初始污染的主要部位，局部通道缩窄使理论水通量降低了 76.5%，直接解释了初始通量的快速下降。通过格子玻尔兹曼模拟发现，多层膜结构会形成流动停滞区，近乎为零的流速触发污染物积累，阐明了孔隙堵塞机制。三维重建和压力分布分析表明，物理反冲洗可以有效去除孔隙堵塞污染，但在下一个操作周期的初始阶段可能会迅速再次积累。本研究为三层层状陶瓷超滤膜的孔隙堵塞污染提供了关键见解，并为指导抗污染膜的设计提供了理论基础。

研究背景和意义

超滤（UF）技术在水处理领域具有重要应用，包括饮用水生产、水回用系统、海水淡化和工业分离过程等。陶瓷超滤膜因其化学和热稳定性而备受关注，尤其适用于农村饮用水处理和海水淡化等分散式连续操作场景。然而，膜污染问题严重限制了陶瓷膜的广泛应用和长期运行，导致通量下降、操作压力增加和膜失效。目前，超滤膜污染主要分为表面滤饼层堆积和内部孔隙堵塞两种形式。由于陶瓷膜复杂的三层结构，其孔隙堵塞污染机制尚不清楚，阻碍了有效的污染控制。因此，本研究旨在通过高分辨率的三维重建技术，深入探究陶瓷超滤膜的孔隙堵塞机制，为设计抗污染膜提供理论支持。

实验步骤

本研究采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）技术对陶瓷超滤膜进行三维重建。首先，在膜表面沉积铂和碳保护层，以减少离子束引起的伪影。随后，利用 30 kV、300 pA 的镓离子束进行逐层铣削，结合 2 kV、500 pA 的二次电子成像，实现了 2 nm/像素的分辨率和 5 nm 的名义切片厚度。通过深度学习方法对图像进行分割，实现了孔隙结构的精确重建。此外，研究还通过格子玻尔兹曼方法（LBM）对膜内的微观流动特性进行了模拟，验证了孔隙网络模型的准确性。在膜污染实验中，使用了不同尺寸的葡聚糖（DEX）、葡聚糖 - 牛血清白蛋白复合物（DEX-BSA）和聚苯乙烯纳米颗粒（PSNP）作为模型污染物，通过动态光散射（DLS）分析确定其粒径分布，并在恒定跨膜压力（1.0 bar）下进行超滤实验，分析通量变化以揭示孔隙堵塞机制。

主要结果和结论

研究发现，陶瓷超滤膜的孔隙堵塞污染主要发生在顶部和中间层的界面处，局部通道缩窄导致理论水通量显著下降。通过 LBM 模拟发现，多层膜结构中的流动停滞区是孔隙堵塞的主要诱因。实验结果表明，孔隙堵塞污染在物理反冲洗过程中可以被有效去除，但在下一个操作周期的初始阶段会迅速再次积累。此外，研究还发现，污染物颗粒尺寸与膜孔径的匹配程度决定了孔隙堵塞的严重程度。本研究为优化超滤膜结构和设计抗污染陶瓷膜提供了理论指导，并为研究纳米通道多孔介质提供了新的方法。

详细机理

陶瓷超滤膜的孔隙堵塞污染机制与其三层结构密切相关。顶部和中间层的界面处孔隙急剧扩大，导致局部流速降低，形成流动停滞区，污染物在此区域积累并逐渐堵塞孔隙。随着孔隙堵塞的加剧，水流通道减少，通量急剧下降。在物理反冲洗过程中，由于反冲洗水流从中间层流向顶部层，内部孔隙堵塞可以被有效去除，但膜表面的污染物难以完全清除，导致在下一个操作周期中孔隙堵塞迅速再次发生。因此，未来的研究需要同时考虑去除表面滤饼层和内部孔隙堵塞，以提高超滤膜的运行效率。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/qikQEgDjQE9QNIMGzksFLw