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2026

JMS｜基于 EQCM-D 的聚酰胺纳滤膜特性研究：不同 pH 条件下溶质传输的机理

作者：

英文题目

EQCM-D assisted characterization of polyamide nanofiltration membrane: Mechanistic insights of solutes transport under various pH conditions

中文题目

基于 EQCM-D 的聚酰胺纳滤膜特性研究：不同 pH 条件下溶质传输的机理

期刊信息：Journal of Membrane Science

发表日期：2025年12月23日

DOI：10.1016/j.memsci.2025.125088

摘要内容

本研究采用电化学石英晶体微天平与耗散技术（EQCM-D），实时监测聚酰胺（PA）纳滤膜在不同 pH 条件下的膜电阻、质量变化和耗散变化，揭示了 PA 背骨在不同 pH 下的电荷和构象变化。通过实际纳滤测试，研究了对称（氯化钠）和不对称（氯化镁和硫酸钠）盐溶液中的离子竞争效应，为分离提供了理论指导。研究结果表明，PA 膜在低 pH 下呈正电荷且结构紧凑，而在高 pH 下呈负电荷且结构膨胀，导致盐和有机微污染物的截留率表现出明显的 pH 依赖性。

研究背景和意义

纳滤膜技术因其**的分离性能和较低的能耗，在水处理和废水处理领域具有广阔的应用前景。聚酰胺（PA）纳滤膜作为其中的典型代表，其分离性能受溶液 pH 的影响显著。然而，目前对于 PA 膜在不同 pH 条件下的构象变化和溶质传输机制仍不清晰。虽然已有研究探讨了 pH 对纳滤膜性能的影响，但缺乏对膜自身变化和离子竞争效应的系统性研究。本研究通过 EQCM-D 技术，实时监测 PA 膜在不同 pH 条件下的动态变化，填补了这一研究空白，为优化纳滤膜的分离性能提供了重要的理论依据。

实验步骤

实验采用商业 NF90 膜，将其裁剪成小块后浸泡在去离子水中过夜。实验中使用了多种化学试剂，包括氯化钠、氯化镁、硫酸钠等。实验装置包括电化学模块和 QCM-D 传感器。首先，将 NF90 膜涂覆在金传感器上，然后将 10 mM 的指定电解质溶液（如 NaCl、MgCl₂ 或 Na₂SO₄）以 80 μL/min 的流速泵入反应池中。通过调整溶液的 pH 值（使用浓 HCl 或 NaOH），实时监测膜的电阻、频率和耗散变化。此外，还利用原子力显微镜（AFM）和电泳分析仪对膜的表面形貌和电荷特性进行了表征。通过这些实验步骤，系统地研究了 PA 膜在不同 pH 条件下的物理化学特性及其对溶质传输的影响。

主要结果和结论

研究发现，PA 膜在不同 pH 条件下表现出显著的电荷和构象变化。在 pH 4 时，膜呈正电荷且结构紧凑；而在 pH 10 时，膜呈负电荷且结构膨胀。这种变化导致了盐的截留率表现出 V 型或倒 V 型曲线，具体取决于盐的类型。对于对称盐（如 NaCl），在 pH 6 时截留率*低；而对于不对称盐（如 MgCl₂ 和 Na₂SO₄），在极端 pH 条件下截留率降低。此外，研究还发现，小分子离子（如 H⁺ 和 OH⁻）在极端 pH 条件下可能通过膜以维持电荷平衡。这些结果为优化纳滤膜的分离性能提供了重要的理论指导。

详细机理

PA 膜的分离性能主要受膜的电荷密度和构象的影响。在低 pH 条件下，膜中的胺基（-NH₃⁺）质子化，导致膜呈正电荷且结构紧凑，从而对阴离子产生较强的排斥作用。而在高 pH 条件下，羧基（-COO⁻）去质子化，使膜呈负电荷且结构膨胀，导致阳离子的排斥作用增强。这种电荷和构象的变化直接影响了溶质的传输行为。对于对称盐（如 NaCl），在膜电荷密度较高时，同离子的传输受到抑制，从而提高了截留率。而对于不对称盐（如 MgCl₂ 和 Na₂SO₄），膜对二价离子的排斥作用更强，但在极端 pH 条件下，小分子离子（如 H⁺ 和 OH⁻）的传输可能会补偿电荷平衡，从而降低截留率。此外，膜的膨胀结构在高 pH 条件下可能允许更多的溶质通过，进一步影响分离性能。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/xv49lP-Y1I6KO5tkqZP34A