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2026

Materials Letters｜简单交联亲水中间层助力高性能反渗透膜制备

作者：

英文题目：

Simple cross-linked hydrophilic interlayer for the preparation of high-performance reverse osmosis membranes

简单交联亲水中间层助力高性能反渗透膜制备

期刊信息： Materials Letters

发表时间：2026年6月6日在线发表

DOI: 10.1016/j.matlet.2026.141053

摘要内容：

本研究通过在交联聚乙烯醇（PVA）中间层上进行界面聚合，制备了PA-0.1反渗透（RO）膜。与未改性对照膜相比，该膜具有更高的交联度和更大的叶片状结构尺寸，在进水浓度1500 ppm、操作压力150 psi、错流流速0.41 m/s条件下，实现了6.83 LMH bar⁻¹的水渗透性和98.23%的NaCl截留率。当该改性方法应用于中试生产线时，所制备的RO膜展现出更优异的性能：渗透性和脱盐率分别达到7.33 LMH bar⁻¹和98.89%。在标准水效条件下，基于中试线的2012卷式膜组件在70.7%回收率下实现了95.3%的盐截留率，显示出良好的实际应用潜力。

研究背景和意义：

随着全球水资源短缺危机日益严峻，反渗透海水淡化技术的重要性愈发凸显。尽管RO膜的基本性能在过去几十年间提升，但渗透性与脱盐率之间的"权衡效应"（trade-off）始终是制约该领域发展的核心瓶颈——如何在保持高截留率的同时提升水通量，是研究人员长期面临的挑战。目前，对聚砜（PSF）支撑层表面进行界面改性已成为调控RO膜性能的重要策略之一，例如Liang等人曾利用交联PVA插层超滤膜实现了高通量高选择性聚酰胺纳滤膜的大规模生产，但将其应用于提升RO膜通量的研究仍较为匮乏；Jiang等人则通过构建"疏水表层+亲水亚层"的异质基底改性策略，成功克服了渗透性-选择性的权衡难题。受此启发，本研究创新性地提出了一种简单的改性方案：在PSF超滤膜表面引入超薄PVA-戊二醛交联亲水中间层，再通过传统界面聚合制备聚酰胺分离层，旨在通过调控支撑层表面性质来优化界面聚合过程，从而同步提升RO膜的渗透性和脱盐性能，并进一步验证该策略在中试生产线上的实际应用潜力。

实验步骤：

首先，取商业聚砜（PSF）超滤膜作为基底，分别在其表面涂覆浓度为0.1 wt%、0.2 wt%和0.3 wt%的聚乙烯醇（PVA）水溶液；待表面干燥后，再覆盖戊二醛溶液，使PVA与戊二醛发生交联反应，形成超薄的PVA-戊二醛交联层（分别命名为PVA-0.1、PVA-0.2和PVA-0.3）。随后，采用传统界面聚合法（IP）在改性后的基底表面制备反渗透膜：先涂覆含有2.8 wt%间苯二胺（MPD）、pH值为9.0的水相溶液，待干燥后再涂覆含有0.18 wt%均苯三甲酰氯（TMC）的有机相溶液，通过MPD与TMC的界面缩聚反应，在PVA交联层表面形成聚酰胺（PA）分离层，最终获得系列RO膜。

主要结果和结论：

系统表征表明，随着PVA涂覆浓度增加，基底接触角从70.5°降至61.07°，亲水性改善；PVA-0.1基底在3394 cm⁻¹处羟基特征吸收峰极弱，证实中间层为超薄结构。所制备的PA-0.1膜表现*优：N/O比从PA-0的0.686提升至0.746，表明交联度更高；在1500 ppm NaCl、150 psi、错流流速0.41 m/s条件下，渗透性达6.83 LMH bar⁻¹，NaCl截留率达98.23%，均优于未改性膜。该策略成功应用于中试生产线，以2 m/min车速连续运行约2小时，制备了长约220 m、宽300 mm的膜材料；所卷制的2012卷式组件在标准水效条件下，于70.7%回收率时流量达157 GPD、截留率95.3%，且长期稳定性良好。与商业膜TU23-2012相比，PA-0.1-2012组件流量高出15-20 GPD，在92 psi下即可达到商业膜100 psi的分离效果，节能约8%。研究证实，该简单改性策略兼具优异的实验室性能与工业化应用潜力。

详细机理：

超薄PVA-戊二醛交联中间层的引入从多维度优化了界面聚合过程与膜分离性能。首先，PVA层提升了PSF支撑层的亲水性，使水相单体MPD在膜表面的分布更加均匀、吸附更加充分，为后续界面聚合反应提供了理想的反应环境；其次，交联PVA层有效"封堵"了支撑层表面部分大孔，适度缩小了表面孔径，使水相溶液在基底表面的停留时间延长，促进了MPD与TMC反应的更均匀进行，避免了局部过度交联或缺陷的产生。在界面聚合过程中，优化的基底性质促进了更大尺寸"叶片状"（leaf-like）聚酰胺结构的形成，这种粗糙表面结构增大了有效过滤面积，为水流提供了更多传输通道。同时，XPS分析显示PA-0.1的N/O比升高，表明聚酰胺分离层具有更高的交联密度，这增强了膜对NaCl的筛分能力；而亲水中间层本身也为水分子提供了额外的快速传输通道，降低了水分子跨膜传质阻力。在中试连续生产过程中，优化的涂覆工艺进一步减少了边缘缺陷，使膜性能从实验室规模的6.83 LMH bar⁻¹/98.23%提升至中试规模的7.33 LMH bar⁻¹/98.89%，证明了该策略在放大生产中的可靠性。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/1at3bp1pVKMG3aIKarh9BA