清华大学黄霞团队合作Science Advances：含水聚酰胺脱盐膜中的囊泡网络增强水迁移

环境人Environmentor · 公众号 · · 2025-05-16 12:22

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33.1 nm （图中案例为 35.0 nm ），大约是囊泡壁厚的两倍，这表明这些峰嵴结构是囊泡失水皱缩形成的。这些囊泡结构底部与膜层下方的聚砜基底层结构直接连通，可以被分为独立囊泡、簇状囊泡和平台囊泡几种（图 1E-G ）。

图 1. 干燥膜三维形貌与溶胀膜三维形貌的差异，以及不同囊泡结构的细节。

根据聚酰胺层上下的结构特征，可将其分为囊泡层（ Nodule layer ）和致密层（ Dense layer ）两个部分，其中囊泡层主要由囊泡结构构成，表面积指数约为 3.11 ，下方的致密层则由厚度约为 75.9 nm 的致密聚酰胺结构组成，其表面积指数仅为 0.77 ，这说明囊泡层在传质过程中可能起到重要的作用（图 2 ）。

图 2. 溶胀聚酰胺膜分离层的分层情况和囊泡层、基底层结构特征

溶胀的聚酰胺膜底部分布着大量气孔，其中未发育完整的气孔成为浅坑（ Dimple ）结构，而发育更完整的气孔则成为半囊泡结构（ Half nodule ）和典型的完整囊泡结构（ Full nodule ）（图 3A ）。这些发育完整的气孔形成的囊泡可分为不同拓扑结构。这种现象表明，囊泡结构的生成可能是由界面聚合时生成的气体鼓出的微气泡构成的（图 3 ）。

图 3. 溶胀 RO 膜的气孔发育情况和囊泡拓扑结构

根据该结果，研究团队打破传统的将整个膜层纳入阻力生成范围的全膜传质模型定式，建立了由囊泡层提供阻力的囊泡传质模型，以膜表面积指数、囊泡壁厚度、膜相对密度作为影响水渗透系数的关键结构参数。通过对 16 种合成膜的三维重构分析，研究团队进行了膜材料的结构 - 性能的关联性分析。该模型在 16 种合成膜中取得了较好的相关关系（斯皮尔曼相关系数 ρ 达到 0.656 ），佐证了囊泡传质模型的正确性（图 4 ）。此外，研究团队还根据 16 种合成膜结构，探究了其结构和合成条件之间的相关关系，能够为指导膜材料性能的优化提供理论支撑。

图 4. 囊泡传质模型示意以及 16 种合成膜材料的囊泡传质参数与渗透系数的相关性分析

该研究首次在溶胀含水的状态下探究了聚酰胺膜的真实溶胀结构，观测到了聚酰胺膜囊泡结构的三维纳米尺度形态，并依据囊泡结构的发现，革新了膜材料的传质机制模型，定量上证明了基于囊泡结构的关键结构参数在跨膜传质过程中的重要地位，为未来水处理膜材料的理性设计与优化提供了理论指导。