膜技术已成为不同行业分离和净化工艺的一种有前途的选择，然而，膜污染对膜过滤在不同应用中的广泛采用造成了重大挑战。胶体、生物分子或悬浮固体在膜表面或其孔内积累，导致水通量降低，从而降低整体分离性能，需要更频繁的清洁。此外，需要更高的工作压力来补偿磁通量下降，这增加了能源消耗，导致运营成本增加。为了应对这些挑战，必须实施有效的结垢控制策略并开发具有更强抗结垢性的膜。
本研究首次利用雾状界面聚合涂层对TFC NF膜表面进行改性。在 PA TFC膜层上形成了一个具有斑点状外观的聚酯涂层。单体溶液（木质素水溶液/有机酰氯溶液）被雾化在PA TFC膜上。新型涂层技术通过调整雾化时间和水相中的木质素浓度来控制聚酯点的大小和覆盖面积。所介绍的技术不仅解决了传统表面改性方法在稳定性和成本方面的难题，而且还具有简便、快速和环保的优点。值得注意的是，与其他方法相比，本文的方法大大减少了化学品的消耗，使其更高效、更具成本效益。此外，它的简便性使其易于集成到现有的膜制造生产线中，从而使其在工业上具有可行性。
图1.聚酰胺 TFC 膜的制造。
使用PIP和TMC通过界面聚合合成聚酰胺（PA）膜。
图2. PA、PA-E3 和 PA-E7膜的横截面TEM和顶面SEM图像。
TEM图像显示PES衬底上形成了两个独立的薄层，聚酯在PA层上形成，PA层的基材比多孔PES致密得多。多孔PES基材比致密PA层具有更高的截留水相单体的能力。因此，与用于PE形成的 SKL 单体相比，可用于 PA 形成的PIP单体更多。
图3. 通过 AFM 对表面形态进行进一步分析。
显示了PA、PA-E3 和 PA-E7膜的粗糙度数据以及2D和3D的AFM图像。AFM图像显示聚酯涂层区域和未覆盖的PA层的形态存在明显差异。对于PA TFC膜，PIP单体的较高扩散会导致界面中立即发生强烈反应。由于聚合物网络没有足够的时间将自身排列成光滑均匀的结构，因此表面变得相对粗糙且不均匀。
图4. FTIR 和 XPS表征膜。
通过FTIR和XPS光谱分析制备膜的化学成分，以研究聚酯涂层的成功形成。
图5.表面电荷和润湿性。
随着SKL浓度的增加，PA-E膜负电性也在增加。这种增加的表面负电荷有助于更好地去除带负电荷的污染物。同时，与PA膜相比，PA-E膜的接触角增加。
图6.分离性能和防污性能
PA膜在所有合成膜中显示出最高的水通量。包被膜显示出比对照PA膜更高的脱盐率。探索了涂层膜在2天内的分离性能，表明聚酯涂层具有良好的附着力。
图7.显示了BSA和SA过滤过程中PA和PA-E膜的归一化水通量、通量恢复率和通量下降。
所有PA-E膜在5小时的过滤过程中的通量下降都比PA膜少，突显了聚酯涂层所实现的增强防污性能。在BSA污染的情况下，在第一个污染循环中，PA-E7的FRR最高，为90%，其次是PA-E5，为86%，PA-E3为84%。相比之下，PA膜的通量恢复率为75%。同样，对于SA溶液，所有聚酯涂层膜的FRR都比FRR为83%的原始PA膜高，分别为95.5%（PA-E7）、93%（PA-E5）、92%（PA-E3）。PA和PA-E膜之间通量恢复率和通量下降值的显著差异可归因于聚酯涂层膜的表面更光滑，表面电荷更高。
图8.TFC膜的大规模表面涂层示意图。（a）以及（c）: 浸泡技术，（b）和（d）: 雾涂技术。
本研究引入了一种新颖的表面改性技术，使用超声辅助界面聚合方法在TFC膜上产生防污微滴。在PA层上形成斑点状聚酯区域。涂层膜的表面粗糙度显著降低，从而减少了表面层污垢的积累。PE涂层增加了表面负电荷，导致对带负电荷的污垢具有更高的排斥力。在 BSA 溶液过滤中，与对照膜PA 相比，PE包被膜的FRR提高了9-15%。由于在较高的SKL浓度下会形成致密和厚的PE斑点，因此增加SKL浓度会导致水渗透率下降。这项研究的结果有可能为一种具有增强稳定性和可扩展性的新型表面涂层技术铺平道路。
近期，该研究成果以“An Innovative Surface Modification Technique for Antifouling Polyamide Nanofiltration Membranes”为题发表于学术期刊《AMI》，论文第一作者为Amirhossein Taghipour，通讯作者为阿尔伯塔大学Mohtada Sadrzadeh。
撰稿人：佘 雨
审稿人：张晓静
论文全文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c06082
抗菌抗污材料前沿
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