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科学研究与应用

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Journal of Scientific Research and Applications

  • 主办单位: 
    未來中國國際出版集團有限公司
  • ISSN: 
    3079-7071(P)
  • ISSN: 
    3080-0757(O)
  • 期刊分类: 
    科学技术
  • 出版周期: 
    月刊
  • 投稿量: 
    5
  • 浏览量: 
    782

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无机盐调控界面聚合制备聚酰胺薄膜研究进展

Research Progress on Inorganic Salt-Regulated Interface Polymerization for Polyamide Film Preparation

发布时间:2026-05-21
作者: 杨哲 ,周添红 :兰州交通大学环境与市政工程学院 甘肃兰州;
摘要: 近年来,界面聚合(Interfacial Polymerization, IP)制备的薄膜复合(TFC)膜在水处理领域展现出显著潜力,而盐添加剂作为调控膜性能的关键策略之一,其作用机制与应用前景逐渐成为研究热点。本综述系统总结了无机盐添加剂在IP工艺中的功能及其对膜结构、分离性能和抗污染能力的调控作用。众多研究表明,无机盐通过调控双电层厚度、诱导离子特异性络合(如Ca²⁺与羰基结合)及改变单体扩散速率,可定向构建交联密度可调的聚酰胺网络,突破传统材料渗透性与选择性的性能权衡。
Abstract: In recent years, thin-film composite (TFC) membranes fabricated via interfacial polymerization (IP) have demonstrated remarkable potential in water treatment applications. As one of the key strategies for membrane performance regulation, the mechanism and application prospects of salt additives have gradually become a research hotspot. This review systematically summarizes the functions of inorganic salt additives in IP processes and their regulatory effects on membrane structure, separation performance, and antifouling capability. Studies reveal that inorganic salts can directionally construct polyamide networks with tunable crosslinking density through mechanisms including modulation of electric double layer thickness, induction of ion-specific complexation (e.g., Ca²⁺ binding with carbonyl groups), and alteration of monomer diffusion rates. These advancements enable the breakthrough of the traditional trade-off between permeability and selectivity in conventional materials.
关键词: 界面聚合;无机盐;水处理
Keywords: interfacial polymerization;inorganic salt;water treatment

引言

膜工业是具有巨大发展潜力的朝阳产业,在制药、能源、食品、冶金、生物等行业发挥着重要作用。以压力差为推动力的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤(NF)和反渗透(RO)。与微滤、超滤相比,NF膜和RO膜的膜孔结构更致密。RO膜通常被认为是无孔膜,截密分子量(MWCO)在200Da以下,对水中的小分子有机物和无机盐离子均有较高的截留率,广泛应用于海水、苦咸水淡化以及工业回用水的处理等;NF膜的孔径在1nm左右,MWCO约为200~1000Da,多用在食品制药行业实现活性成分的精制浓缩(如乳清蛋白分级),在环境工程领域完成印染废水脱盐与造纸黑液资源化,在新能源开发中支撑盐湖提锂等需求。聚酰胺(PA)膜因其制备工艺简便、性能稳定、分离效果好等优点成为常用的NF膜和RO膜类型之一。目前市售的PA膜大多采用界面聚合(IP)工艺制造,通过IP工艺可以制造出具有纳米级孔结构的薄膜复合(TFC)膜。因此IP反应动力学与聚合物膜结构的可控性直接决定膜性能的优劣。

IP反应基于Schotten-Baumann反应机理,通过水相胺单体与油相酰氯单体在界面处的快速缩聚,形成具有高度交联结构的PA活性分离层,该致密层作为膜的“分子筛”,其交联度、厚度及表面形貌等结构特征直接决定膜的选择渗透性能。因此,PA层的精准构筑与功能化修饰成为提升膜性能的关键调控维度。然而,IP过程的超快反应动力学特性对结构调控构成根本性挑战。理论模拟表明,胺与酰氯可在10~100毫秒内完成大部分交联;实验观测证实,完整PA薄膜的形成仅需短短几秒。这种“爆发式”的界面聚合机制导致成膜过程存在显著的非平衡态特征:一方面,单体扩散速率与反应速率的动态耦合易引发局部缺陷;另一方面,极短的工艺窗口严重制约了结构参数的精细化调控。这种反应动力学与结构可控性之间的矛盾,成为制约高性能膜开发的关键问题。

为解决上述问题,调控IP过程成为主要研究方向,包括优化IP参数(如改变反应物浓度、调整界面聚合时间、提高反应温度等)、合成新型单体、使用添加剂(如引入表面活性剂、纳米有机/无机填料和使用催化剂等)和构筑中间层[24]等。以上方法均被证实在提高膜渗透选择性方面是有效的。特别是化学添加剂因其微量高效的优势,已成为当前最受关注的技术路径之一。在众多化学添加剂中,无机盐凭借其成本低廉、环境友好、物化性质稳定等突出优势,近年来被广泛使用(图1),并被证实能通过离子强度调控、电荷屏蔽效应等机制有效改善IP反应过程。

图表, 条形图 AI生成的内容可能不正确。
图1 几年来在web of science检索到有关无机盐改性聚酰胺膜的文章数量

1 IP反应基本原理

IP反应基于Schotten-Baumann反应机理,通过水相胺单体与油相酰氯单体在界面处的快速缩聚,形成具有高度交联结构的PA活性分离层,该致密层作为膜的“分子筛”,其交联度、厚度及表面形貌等结构特征直接决定膜的选择渗透性能。因此,PA层的精准构筑与功能化修饰成为提升膜性能的关键调控维度。然而,IP过程的超快反应动力学特性对结构调控构成根本性挑战。理论模拟表明,胺与酰氯可在10~100毫秒内完成大部分交联;实验观测证实,完整PA薄膜的形成仅需短短几秒。这种“爆发式”的界面聚合机制导致成膜过程存在显著的非平衡态特征:一方面,单体扩散速率与反应速率的动态耦合易引发局部缺陷;另一方面,极短的工艺窗口严重制约了结构参数的精细化调控。这种反应动力学与结构可控性之间的矛盾,成为制约高性能膜开发的关键问题。

为解决上述问题,调控IP过程成为主要研究方向,包括优化IP参数(如改变反应物浓度、调整界面聚合时间、提高反应温度等)、合成新型单体、使用添加剂(如引入表面活性剂、纳米有机/无机填料和使用催化剂等)和构筑中间层[24]等。以上方法均被证实在提高膜渗透选择性方面是有效的。特别是化学添加剂因其微量高效的优势,已成为当前最受关注的技术路径之一。在众多化学添加剂中,无机盐凭借其成本低廉、环境友好、物化性质稳定等突出优势,近年来被广泛使用,并被证实能通过离子强度调控、电荷屏蔽效应等机制有效改善IP反应过程。

2 无机盐调控IP反应

Morgan和Kwolek发现,在IP反应中添加无机盐会引起反应物中二胺分配系数变化以及产生盐析效应。后续研究者的研究表明,加入的无机盐可以通过与反应物或生成物反应等(图2)方式调控IP反应,进而影响膜的透水性、分离选择性和抗污染性能。

图示 AI生成的内容可能不正确。
图2 无机盐改性调控机理

2.1 无机盐与水相单体反应

IP反应中常用的水相单体通常为胺类单体如哌嗪(PIP)、间苯二胺(MPD)等,其他研究中也尝试使用2,6-二氨基吡啶(Pd)、4,6-二氨基嘧啶(Pm)四乙烯五胺(TEPA)、N-氨乙基哌嗪(AEPPS)、等进行实验。

Tang等人采用三乙醇胺(TEOA)和N-二甲基二乙醇胺(MDEOA)作为水相单体并引入LiBr调控IP反应,发现添加剂会显著改变膜层形成机制。具体而言,当向水相中添加LiBr后,溶液中高浓度的Li+通过离子-偶极作用与醇胺分子发生相互作用,这种作用会破坏单体分子间原有的氢键。氢键结构的改变会导致水相中羟基的分布密度提高和反应活性增强,在这两个效应协同作用下,能促使IP过程形成的膜相较对照膜较为致密一些。相较Tang水相所采用的单体,PIP和MPD在IP反应中使用更广泛,无机盐离子与其之间的相互作用更具有普遍性。He等人通过在MPD水溶液中加入CuCl2,证明了Cu2+和MPD之间的络合作用会阻碍了MPD从水相向有机相的扩散,影响MPD与均苯三甲酰氯(TMC)的界面聚合反应,降低聚合物膜的形成速度。进而产生相较对照膜更薄的选择层。但过量的Cu2+又会吸引周围的MPD单体,使水相中胺单体局部含量增加,进而诱导建立高度交联的聚酰胺。SEM图像下,当引入CuCl2后,膜表面的结节相较未改性的TFC膜变大,随着Cu2+离子含量的增加,它逐渐连接成不同的脊谷形态;Cu2+离子含量的进一步增加,脊谷形态又逐渐转变回结节形态。脊谷的形成增加了膜的透水性,改性膜截留测试结果表明,有机溶剂通量在膜脊谷形态下达到最大;并且由于Cu2+与PA层中的N原子的络合,降低了膜缺陷的概率,导致即使在最大通量下,膜对罗丹明B的截留仍能在98%以上。

为探究不同无机盐金属离子如何影响TFC膜的结构和性能,Zhang等人将不同类型的二价阳离子预加载到基材上,再利用PIP和TMC制备PA选择层。结果表明,添加的主族金属(Ca2+和Mg2+)和过渡金属(Zn2+、Cu2+和Co2+)阳离子在调节IP反应中起着不同的作用。但都通过与胺基作用,抑制了PIP的扩散,产生了不均匀的反应界面,导致膜表面粗糙度增加。主族金属离子通过离子作用与胺基团反应。因此,添加的主族金属阳离子只增加了膜表面纳米级结节阵列,提高了膜的透水性,并不改变膜的孔径和选择性。过渡金属则通过与胺基的配位来减缓PIP的迁移速率。由于配位作用与胺基的反应相较离子作用更强,致使过渡金属离子更容易留在PA网络中,导致膜在表面形成了纳米级图灵型脊网络,并且随着金属盐浓度的增加,这些脊网络逐渐增强,线条更细。进而产生了更薄的选择层、更粗糙的表面和更大的孔径,这赋予了膜比主族金属离子改性膜更高的透水性,但降低了对无机盐和小分子染料的截留率。此外,无论是主族还是过渡金属阳离子都可以通过促进TMC的酰氯基团水解来降低交联度。根据不同金属离子在调节膜形成方面的差异可以灵活地调整膜的性质和性能,以满足不同的需求目标。

Wu等人使用自己实验室研究合成的水相两性离子单体制备两性离子纳滤膜(ZNFM),并用NaCl在IP反应前后进行了两次调控。初次调控时,NaCl的加入破坏了两性离子间静电相互作用,使分散的两性离子单体的界面反应倾向于加速初级PA网络的致密化,因此分离层的厚度随着NaCl浓度的增加而逐渐减小,且使ZNFM中由于两性离子PA网络过度堆叠而形成的小孔减少。热处理的二次调控过程中防止了两性离子聚酰胺网络的收缩。在摆脱聚合物链的运动限制后,进行了进一步的交联反应,修复了更多的大孔。两次调控使PA选择层相比初始膜变得更薄,孔径分布更均匀。导致膜获得更高的透水性;且在两次调控后,膜负电性增强,对Na2SO4和红霉素的最佳截留率均到97%以上。实验在使用其他无机盐(KCl、LiCl、CaCl2)调控后发现小尺寸的无机盐更适合调控此类膜。

随着分子动力学(MD)模型的不断研究,研究者们开始采取多种方式来研究和模拟IP过程。Shen等人通过引入无机盐调控,揭示了盐离子对IP反应动力学及PA膜结构的调控机制。该研究采用MD模拟与实验表征相结合的方法,构建了NaCl影响IP反应的理论框架。MD模拟结果表明,在IP反应过程中,Na⁺和Cl⁻离子通过静电相互作用在水相-有机相界面形成动态富集层,其中Cl⁻与MPD单体氨基形成氢键络合作用,与Na⁺通过电荷屏蔽效应共同作用,显著延缓了MPD分子向有机相的扩散迁移。通过与对照膜的相比,盐调节膜的PA层表面出现了规则的蜂窝状图灵纳米结构,这使得PA层更薄、表面更光滑,并产生了更高的水通量。

2.2 无机盐与有机相单体反应

虽然对有机相单体的开发研究很多,但不论是NF膜还是RO膜最常用的单体还是只有TMC一种,无机盐对单体的影响也更多是金属离子与羰基的络合作用。

Tang等人的实验发现金属离子与TMC中的羰基(C=O)络合会激活TMC的羰基,导致TMC的水解速率增加,从而使膜表面更亲水、更疏松。在以TEOA为水相单体的实验中,当Li+浓度小于3%时,LiBr对IP反应的调控以Li+与羰基的络合作用起主导作用,此时,随着Li+浓度增加,膜的水通量呈增加趋势;浓度大于3%后,Li+与醇胺的离子-偶极作用占主导作用,膜逐渐变厚,通量也随之下降。因此,通过改变LiBr的添加量,可以灵活地调节制备膜的透水性和截留率。但Li+的扩散同时受到水相粘度的影响,在高粘度溶液中,Li+与TMC羰基络合减弱,主要通过Li+与醇胺的相互作用调控IP反应。

Fan等人在界面聚合过程中,以CaCl2作为水相添加剂,通过与羰基络合将Ca2+嵌入薄膜中,改性后的膜提高了透水性,增大了MWCO,降低了无机盐离子的截留率。但表征结果显示膜的Zeta电位没有变化,因此,实验分析无机盐排斥变化可能也是由于CaCl2诱导产生了疏松的活性层,导致空间位阻的变化。Hao等人在IP反应之前向MPD单体溶液中添加 Ca2+ 盐来封存TFC膜的羧基以对抗膜污染。加入的Ca2+在IP反应过程中促进了聚酰胺层内COO-- Ca2+桥的形成。由于Ca2+的内桥接占据了聚酰胺层中的羧基,使其无法与污垢形成内桥,从而最大限度地减少了膜污染的倾向。此外,加了Ca2+的膜在保留了高截留率(>97%)的同时又增加了水通量。Zhu等人将Ca(HCO32加入水相调控IP反应,构建了一种高性能薄膜复合材料NF膜。加入Ca(HCO32后,膜的表征结果显示Ca2+被结合到了PA结构中,导致TFC膜内部的理化特征发生变化。内部Ca2+加速了水合层的形成,从而导致亲水性增强。Ca2+消耗了IP过程中未反应的酰氯水解-COOH,从而导致电负性下降。同时,由于Ca(HCO3)2的引入增加了交联度,TFC-Ca膜的孔径变得更窄。

2.3 无机盐与副产物的反应

IP反应常常伴随着热量的放出和强酸(HCl)的生成,因此许多研究者也尝试利用碱和弱酸的酸式盐来中和IP反应中产生的酸。

Ma等人通过系统研究揭示了碳酸氢盐调控界面聚合(IP)过程的微观机制。其研究表明,聚酰胺膜选择层中的空隙结构主要由水相中溶解气体(尤其是二氧化碳纳米气泡)的成核与逸出行为所决定。通过调控纳米气泡的生成量,可实现膜结构的定向调控:例如,胺溶液脱气处理可形成表面光滑的致密膜层,而添加碳酸氢盐促进纳米气泡生成则能显著增加膜表面粗糙度。这种纳米气泡发泡机制通过双重作用改善膜性能:(1)加速盐酸的消耗与二氧化碳释放,促进选择层聚合物交联度提升;CO2纳米气泡促进PIP扩散到有机相中,因此在界面聚合过程中PIP和TMC之间的接触面积会增大,导致PA层厚度增加。(2)扩大有效过滤面积,使膜同时获得更高透水率和截盐率。释放出的纳米气泡增强了条纹纳米结构,从而调整了NF膜表面,增大了过滤面积。Shang和Long等人的后续研究进一步验证了碳酸氢盐对膜表面形貌的调控作用。Shang等人通过三维光学相干断层扫描分析发现,经碳酸氢盐改性的膜表面呈现增强的脊-谷纳米结构。值得注意的是,虽然有机污染物倾向于在谷区沉积,但凸起的脊状结构仍能维持高效的水传输通道。与表面光滑的对照组及仅具微细条纹结构的膜相比,具有显著脊-谷特征的碳酸氢盐改性膜表现出更低的污垢覆盖率和更强的抗污染能力。Long等人研究结果表明,通过简单地添加NaHCO3来控制膜表面电荷和孔径,就可同时提高透水性、矿物质通过率和卤代乙酸阻隔率,效果显著高于商用NF膜,这为我们处理溶质分离提供了新的思路。Zhu[39]等人使用Ca(HCO32调控IP反应,也发现同样的现象。增加Ca(HCO3)2的含量会加速气泡的产生,在聚酰胺内形成大的空隙。并且一旦产生的气泡的体积较大,两个相邻气泡之间的空隙便会连接,形成更大的结节特征。

Long和Tang等人分别从实验和模型结合实验的角度说明了将纳米CaCO3添加到TMC有机溶液中对IP反应的影响及所改性膜性能的改变。Long的实验发现:纳米CaCO3与IP反应的副产物H+反应原位刻蚀,并在另一副产物热量的帮助下进一步脱气CO2在PA层中形成更多的纳米空隙,膜表面现象与添加NaHCO3相似,靠近表层纳米空隙塌陷,在表面形成特征性的叶片状结构,但H+对纳米颗粒的原位蚀刻会在聚酰胺层中留下更多的纳米空泡。纳米空隙降低了水力阻力缩短了水的传输路径(沟槽效应),而无纳米空隙则延长了水的传输距离(漏斗效应)。因此,较高比例的纳米空隙可以诱导更大的沟槽效应,从而有效增强透水性。实验中随着纳米CaCO3添加量的增加,透水性从2.0增加到2.7L/(m2·h·bar)同时对NaCl的截留率均在97%以上。Tang等人的模拟显示:加入纳米CaCO3后,TMC在CaCO3附近聚集,并且作为有机相添加剂的CaCO3也降低了水相PIP分子的扩散速率。最终,富集的TMC单体在CaCO3周围浓度较高,会首先与PIP反应形成PA膜。PA膜的形成限制了单体分子的径向扩散,单体分子只能沿着两相界面继续横向反应,进而形成非常薄而光滑的 PA层。

2.4 无机盐对两相溶剂影响

IP反应将两种高反应性能的单体分别溶于两种互不相容的溶剂中,在两个液相的界面处进行不可逆的聚合反应。无机盐的加入通常会改变两相溶剂的物理性质(如界面张力,液体粘度),无机盐的析出会在支撑层与PA层之间形成“中间层”。

shen等人将NaCl和二乙胺作为添加剂同时加入水相。实验发现,随着NaCl浓度的增加,水溶液表面张力呈现线性升高的趋势。这种表面张力的增加抑制了PIP分子在水相中的扩散速率,导致IP反应生成的PA选择性层微观结构发生了变化。具体而言,扩散速率的降低减少了PIP向有机相-水相界面的输运量,致使PA层中特征性的脊状结构尺寸缩小且分布密度降低。进一步通过表面形貌分析发现,随着NaCl浓度增加,底层纳米纤维的形貌特征逐渐模糊化。这种界面形貌的变化表明,受盐效应调控的PA层在生长过程中不仅改变了自身微观结构,其沉积位置也呈现出向纳米纤维支撑层上方逐渐偏移的趋势。并且实验还发现,将NaCl添加到水相后,由于Na+与PA的羰基之间的络合反应,导致IP反应在纳米级上的不均匀分布。使PA顶层表面出现了由许多点组成的另一个图灵结构。

Liu等人在IP过程中引入多种无机盐,揭示了晶体生长对薄膜复合(TFC)膜结构的调控规律。研究表明,水相单体溶液中无机盐在热处理时会发生界面结晶现象:盐浓度越高,离子越容易在支撑层与聚酰胺(PA)选择层界面处成核,并逐渐聚集成微米级晶体。这些晶体通过两种途径改变膜结构:(1)物理楔入作用削弱PA层与支撑层的结合力,同时诱导PA表面粗糙化;(2)晶体被水溶解后形成原位微米级空隙,产生贯通性“沟槽”,使水通量大幅提升。进一步研究发现,此类盐晶体具有独特的分形生长特性。Lu团队通过高分辨率表征证实,IP过程中形成的NaCl晶体可自发组装为分支分形结构(Branching Fractal Structure, BFS)。这种由微米级枝晶相互连接形成的三维网络,增加了膜的有效过滤面积,从而使透水性提升3~4倍,同时维持90%左右的Na2SO4截留率。

3结论与展望

在TFC膜的制备过程中,盐添加剂通过多种介入途径展现其多功能调控作用。具体实施策略包括基底预负载、水相/有机相共混以及后处理引入等方式。其作用机制贯穿膜形成全过程:在基底预处理阶段通过表面润湿性调控优化界面接触;在IP过程中通过扩散动力学调节、界面张力降低以及催化效应(如相转移催化或酸碱中和反应)实现反应动力学精准控制;在膜结构形成阶段通过分子间相互作用或模板效应(如CO₂纳米气泡/晶体生成)调控聚合物网络拓扑结构。这种多尺度调控策略有效突破了传统膜材料渗透选择性“trade-off”效应,同时赋予膜表面抗污染特性。特别值得注意的是,盐介导的孔径可控制备技术为一价/二价离子选择性分离及有机物精准筛分提供了新范式,显著提升了TFC膜在精细分离领域的应用潜力。

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