正渗透膜制备的研究进展

正渗透膜制备的研究进展

作者：张小月

来源：《中国科技博览》2017年第12期

[摘要]自二十世纪，正渗透便由于其节约能源的优势逐渐走进人们的视野，越来越多的人对正渗透技术进行研究，期望更完善正渗透技术，将其应用于水处理。正渗透处理技术具有节能高效、经济简单[1]、耐污染[2]、高回收率[3]等特点，然而汲取液的选择[4]、浓差极化现象[5]等都会对正渗透膜性能产生影响。基于此，本文综合了国内外的相关文献，总结了近年来正渗透技术在膜制备方面的研究现状及发展，发现目前研究者们主要是通过改进制膜材料、共混改性、界面聚合、改善膜结构的方法对正渗透膜改性，且每种方法都各有优劣，希望通过本文能够给正渗透膜的发展提供理论依据。

[关键词]正渗透共混改性界面聚合

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）12-0249-02

1、引言

随着社会经济的不断发展，水资源问题也逐渐进入人们的视野；同时，为了实现能源与水资源的合理协调，正渗透技术凭借其节约能源的优势受到了学者的广泛关注。正渗透技术具有能耗低、水回收率高、膜污染小的特点，被广泛应用于海水脱盐[6]、废水再生[7]、纯水及超纯水制备、食品加工及医药行业等。同时，正渗透技术也可用于处理油砂尾矿水[8]、脱除水中的重金属离子例如钴离子[9]等。在某些水资源短缺、水污染严重的地区，正渗透技术凭借其低成本、低能耗、低化学药剂使用等特点被广泛使用。但是，正渗透膜本身也有很多限制因素：膜污染、内浓差极化、膜的孔隙率[10]以及机械强度等都会影响正渗透技术的性能。基于此，研究者们不断对正渗透技术改进，对正渗透膜进行改性或改变正渗透技术的使用时用到的汲取液，希望大幅度提高正渗透技术的可应用性。

本文综述了近些年正渗透技术发展过程中所应用到的正渗透膜改性方法，展望了正渗透膜的研究方向和前景，希望能够为以后的正渗透膜改性提供理论依据。

2、正渗透膜改性

正渗透技术比超滤、纳滤、反渗透等过滤方式有很多独有的特点，但是在正渗透膜的商业化应用中，正渗透技术仍然存在许多问题，在其不断发展的过程中，研究者们不断对正渗透技术进行改进。目前，主要的正渗透膜改性技术包括选择不同的铸膜材料、共混改性、界面聚合以及对基膜增加筛网或无纺布。

2.1、不同的铸膜材料

2.1.1、有机材料

目前，主要的制备正渗透膜的有机材料包括三醋酸纤维素（CTA）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）、聚苯并咪唑（PBI）等。三醋酸纤维素[11]具有高耐氯性、低污染、低成本、高亲水性、高水通量和高截留率等特点；聚砜材料具有韧性好、材料稳定、耐酸碱、耐氧化的特点；聚醚砜具有优良的机械强度、耐高温等特性；而聚苯并咪唑[12]则有强大的机械强度、优良的稳定性等特点。以上材料均被作为正渗透膜的基本制备材料，但由于膜污染、内浓差极化等因素的影响，在正渗透技术的商业化应用中，各种已知材料的膜仍有一定缺陷。因此，各国学者仍然在不断寻找新的材料制作正渗透膜。

2.1.2、仿生材料

随着正渗透技术的发展，一些正渗透技术方面的问题被相继提出来，例如如何去除痕量的有机物。基于这些问题，学者们提出制造仿生膜，类比生物膜的选择透过性，制造出具有高选择性的仿生膜，从而提升正渗透膜的性能。目前的仿生膜主要是水通道蛋白膜，ReyhanSengur[13]等利用水通道蛋白Z蛋白和碳纳米管构建油脂双分子层的仿生膜，研究表明该膜在污染控制方面较其他膜有显著优势；同时，HongleiWang等通过研究发现，水通道蛋白膜在海水脱盐过程中具有高水通量和高截盐率的潜力[14]，同时，在水通道蛋白膜中嵌入囊泡，能进一步增强膜的性能；另外HongleiWang等也提到仿生膜本身质地较脆弱，不过可以通过涂层的方式对这种膜稳定，提高其机械性能[15]。另HenrikT.Madsen等研究表明，水通道蛋白膜对去除痕量有机物有着显著作用[16]，由于其运输机制与普通正渗透膜的差异，水通道蛋白膜对痕量有机物的去除能力高达97%，因此，可以继续研究生物膜的性能，将生物膜特性应用于正渗透技术，提高膜的性能。由于生物膜具有无可比拟的性能，合理的结合生物技术与正渗透技术将会是未来正渗透技术的主要发展方向。

2.2、共混改性

基于膜材料的发展，共混改性是对正渗透膜改性的又一良好方法。在铸膜液中加入改性粒子，充分搅拌后再制膜，得到的正渗透膜的性能会有良好提升。由于得到的正渗透膜结合了改性粒子和铸膜材料的特点，正渗透膜的性能能在某一特定的方面或几方面有所突破。因此，根据正渗透膜的缺点，再选择对应能改善这方面性能的粒子，使正渗透膜的性能提高。目前，主要的共混改性的粒子可以分为无机粒子，有机粒子和混合粒子。需要注意的是，改性粒子的浓度对正渗透膜的性能也会有很大影响，因此，需要在制备铸膜夜的时候需先做对比实验确定改性粒子在什么浓度下的正渗透膜的性能能在需要的方面提升。

2.2.1、无机粒子

为了提升正渗透膜的机械强度，提高其热稳定性和化学稳定性等性能，一些学者和公司尝试着在铸膜液中加入一些合成的无机粒子改善膜性能。自Mobil公司合成M41S系列介孔分子筛以来，越来越多的合成无机粒子出现在我们的视野[17]：MCM-48二氧化硅纳米球形颗粒[18]，可增强膜的亲水性，增大膜的孔隙率，增加水通量，同时反盐量增加很少；沸石[19]具有多孔性，在正渗透铸膜材料中加入沸石能使膜的渗透性提高，提高膜的水通量；纳米氧化石墨烯能够提高膜的抗污染性能和渗透性能[20]，同时也能提高膜的机械性能和亲水性。此外，被应用于正渗透技术的无机粒子还有很多，勃姆石、碳纳米纤维、氧化锌等也都被尝试应用于正渗透膜中，各种粒子均有各自的优点，不过还应考虑实际情况，综合改性粒子特点，综合提升正渗透膜性能。

2.2.2、有机粒子

一些有机粒子的加入也能改变正渗透膜的性能：在聚醚砜中加入磺化聚醚醚酮[21]，膜的孔隙率和亲水性能够显著提高，同时可以有效避免有机溶剂浸泡造成的损害；在聚砜膜中加入聚乙醇或甲基醚甲基丙烯酸酯[22]，能够缓解膜的内浓差极化现象。除此之外被作为共混材料的有机粒子还有很多，不过更多的是通过接枝的方法改善铸膜材料或通过界面聚合的方法在正渗透膜基膜表面复合有机层，进而改善正渗透膜的性能。

2.2.3、二元混合剂和杂化粒子

除了有机粒子、无机粒子，很多杂化粒子、混合粒子也被制造出来对正渗透膜改性，这些杂化粒子、混合粒子能够更有针对性的对膜进行改性，提高膜的性能。通过接枝的方式制备的有机/无机杂化TiO2[23]，可使膜的水通量和截盐率得到大幅提升；乙酸-乳酸（AA-LA），乙酸-马来酸（AA-MA），氯化锌-乳酸（ZnCl2-LA）三种二元添加剂的实验[24]显示，这几种二元添加剂能比单一添加剂更显著提高水通量，且截盐率不显著降低。通过几种药剂之间的相互作用以及权衡效应，使膜的性能得到大大提高。因为合适的二元添加剂，能够通过粒子间的相互作用以及权衡效应，对膜某方面或某几方面的的性能进行提升。因此，在将来我们可以对多元混合剂进行研究，通过多元混合剂对正渗透膜性能进行突破，提高正渗透技术的适用性。

2.3、界面聚合

对于非对称膜和基膜，可以用以上办法进行改性，另外研究者们又研究出TFC膜。TFC 膜由致密皮层和多孔支撑层构成，并且可以通过分别对多孔支撑层和致密皮层优化的方法提升膜的性能。目前的支撑层主要通过相分离方法制得，主要成分是聚砜或聚醚砜；界面聚合的反应一般是用间苯二胺和1，3，5—苯三甲酰氯的反应。TFC膜的孔隙率高，水通量也很高，并且机械性能较好，但内浓差极化对这种膜的影响较大。目前TFC膜应用很多，在接下来可以对这类膜进行研究，对其支撑层及致密皮层分别改性，提高可应用性。

2.4、改善膜结构