反渗透膜表面形貌特性的研究

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1、反渗透膜表面形貌特性的研究段美荣，樊智锋，王志*，王纪孝，王世昌(天津大学化工学院化学工程研究所、化学工程联合国家重点实验室（天津大学）天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室，天津300072)摘要：反渗透膜的渗透选择性能主要取决于活性分离层，而活性分离层表面并不是光滑平坦，的，而是由许多微米级或纳米级峰谷结构组成，已有学者试图探究这些峰谷结构与膜渗透性能的关系，但是没有得出统一结论。本文利用ATR-IR、SEM、AFM等手段对三种反渗透商品膜（RE-2521、CPA3和ESPA2）进行表征，结果表明，三种反渗透膜表面的化学结构相似

2、，均为芳香聚酰胺结构，但膜面微米级和纳米级峰谷结构形态各异，且膜表面均方根粗糙度（Rms）值越大，反渗透膜的纯水通量越大。关键词：反渗透；峰谷结构；SEM；AFM；ATR-IR；均方根粗糙度反渗透膜过程不仅在海水淡化和苦咸水脱盐得到广泛应用，而且在超纯水生产、废水处理、物料浓缩提纯等方面发挥越来越重要的作用。目前，应用比较成功的绝大部分反渗透膜都是TFC复合膜，它由三种材料复合而成，表层是活性分离层，由芳香聚酰胺或聚脲酰胺构成，中间是聚砜支撑层，底层是无纺布加强层，该复合膜一般采用两种或两种以上反应单体在聚砜膜表面聚合而成。活性分

3、离层厚度一般只有200～300nm，但对渗透选择性能起决定性作用。原子力显微镜（AFM）是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜，分辨率能达到原[1-7]子级水平，因此，许多科研人员采用AFM研究膜表面性质。[3]1996年，Hirose等借助AFM发现交联芳香聚酰胺反渗透膜通量与膜表面粗糙度基本成线性关系，渗透通量随膜表面粗糙度的增加而增大，其线性关系是由于膜表面凹凸不平的峰谷结构使得膜表面有效面积增大。[4]2001年，Madaeni研究了两种聚乙烯醇反渗透商品膜（TFC-ULP和TFC-SR2）对自来水的渗透性能，结果发现，膜

4、表面越粗糙，渗透速率越小，他认为其原因是离子容易在粗糙膜表面发生吸附和捕集。[5]2006年，S.Al-Jeshi等考察了四种聚脲酰胺反渗透商品膜（OsmonicsSG,AD,AGand作者简介：段美荣（1982－），女，河北沧州人，博士研究生.*联系人：王志，男，教授，博士生导师，email:wangzhi@tju.edu.cn.TriSepX20）的表面形貌和渗透性能，结果表明，OsmonicsAG和AD具有相似的均方根粗糙度，但是OsmonicsAG的通量是AD的10倍。因此，他们认为表面粗糙度与渗透通量之间不存在普遍联系。

5、本文利用ATR-IR、SEM、AFM等对三种反渗透商品膜（RE-2521、CPA3和ESPA2）进行表征，主要目的是考察反渗透膜表面不同尺度峰谷结构与渗透性能的关系。1实验部分1.1实验试剂及材料纯水，电导率<3μs/cm，实验室自制；ESPA2和CPA3反渗透膜，美国海德能公司；RE-2521反渗透膜，世韩公司。1.2实验仪器设备衰减全反射红外光谱（ATR-IR），560E.SP.FTIR，美国Nicolet公司；场发射扫描电子显微境（FE-SEM），JSM-6700F，日本JEO公司；原子力显微镜（AFM），MMAFM/STM

6、+D3100，美国LDJ电子仪器公司；膜渗透选择性能测试装置，天津大学。1.3衰减全反射红外光谱将膜样品在30℃的真空干燥箱中，干燥12小时以上，然后利用ATR-IR对三种反渗透商品膜的活性分离层化学结构进行表征。由于ATR-IR穿透深度在1微米以上，能穿透活性分离[8]层进入聚砜层，因此，其谱图中包括活性分离层和聚砜层的吸收谱带。1.4膜表面形貌表征利用FE-SEM和AFM对反渗透商品膜表面进行表面形貌观察和表征，用于FE-SEM测试的样品在测试前充分干燥，并进行喷金处理；AFM在轻敲模式下对膜表面进行扫描。1.5膜渗透性能测试

7、采用实验室自行研制的膜渗透选择性能测试装置对膜的渗透性能进行测试，膜池的有效2膜面积为17.3cm,测试压力为150psi,测试温度为25℃，纯水通量由数据采集系统自动记录，达到稳态时记下数值。2结果与讨论2.1膜表面活性分离层化学结构ATR-IR的结果表明，三种反渗透膜具有相同的吸收谱带，都采用聚砜膜作为支撑层，-1-1-1活性分离层都为芳香聚酰胺结构。从聚砜的特征谱带（1585cm，1504cm和1489cm）以-1-1-1及芳香聚酰胺的特征吸收谱带（1656cm，1608cm和1540cm）均可得出，三种反渗透膜的活性分离层

8、厚度不同，厚度顺序为：ESPA2>CPA3>RE-2521，见图1。20ESPA2CPA3RE2521TL1510Absorbance(%)5018001600140012001000800-1Wavenumber(cm)图1反渗透商品膜的衰减全反