径迹蚀刻聚对苯二甲酸乙二醇酯膜水通量衰减机制及其在复合膜支撑中的应用研究

本研究针对径迹蚀刻聚对苯二甲酸乙二醇酯(TE-PET)膜在水过滤应用中通量显著衰减的问题，通过系统实验揭示了其根源在于化学蚀刻过程中形成的亲水层溶胀效应。研究人员采用低压力死端/错流过滤系统，结合原子力显微镜(AFM)和溶剂对比实验，证实动态水流条件下孔壁残留低聚物凝胶的膨胀是导致孔径缩小的关键因素，尤其对大孔径(2.5 μm)膜影响更显著。该发现为开发稳定TE-PET支撑的复合膜提供了理论依据，对优化膜分离技术具有重要意义。

　　

在膜分离技术领域，径迹蚀刻(TE)膜因其精确可控的孔径分布和直通孔道结构备受关注，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(TE-PET)膜更以优异的化学稳定性和机械强度成为理想候选。然而实际应用中，这些膜却面临一个棘手问题——水通量会随时间显著下降，有些情况下3小时内衰减幅度高达65%。这种现象严重制约了TE-PET膜在生物医药、水处理等领域的应用潜力，但多年来其内在机制始终未明。是膜污染导致的孔道堵塞？还是材料本身的物理化学变化？这个问题成为困扰研究人员的"膜科学之谜"。

为揭开这一谜团，来自德国比勒菲尔德大学等机构的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表了突破性成果。研究人员设计了一套系统研究方案，通过商业采购和自主蚀刻两种途径获得不同孔径(0.2-2.5 μm)和孔隙率(0.2-20%)的TE-PET膜样本，采用死端和错流两种过滤模式，在0.02-10 bar压力范围内监测水通量变化。借助原子力显微镜(AFM)和氦离子显微镜(HIM)进行表面形貌表征，结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学组成变化，同时通过对比实验考察不同极性溶剂对膜性能的影响。

研究结果部分，"初始膜特性"显示TE-PET膜孔径分布与Hagen-Poiseuille方程预测高度吻合，FTIR证实孔壁存在羧基和羟基等亲水基团。"动态水传输行为"部分发现，0.8 μm孔径膜在0.5 bar压力下200秒内通量下降20%，而静态浸泡39小时仅引起不足10%的变化，证实流动条件加速了溶胀过程。通过公式计算得出2.5 μm大孔的相对半径变化量是0.2 μm小孔的6倍。"表面形态演变"部分，AFM图像清晰捕捉到48小时后孔道深度减少、144小时部分孔道完全封闭的过程，而邻近非孔区域形貌保持不变。"溶剂效应"实验显示非极性正己烷几乎不引起通量衰减，而水的衰减幅度最大，证实亲水性相互作用是关键因素。"TE-PET作为CNM复合膜支撑"部分展示，以TE-PET为支撑的碳纳米膜(CNM)复合膜初始水通量达40 LMH/bar，NaCl截留率50%，但长期稳定性仍受支撑层溶胀限制。

这项研究首次系统阐明了TE-PET膜水通量衰减的分子机制：化学蚀刻残留的含氧基团在动态水流条件下重新形成凝胶层并溶胀，导致有效孔径缩小。该发现不仅解释了长期困扰业界的性能衰减现象，更通过建立"孔径-溶胀速率"定量关系，为针对性改良提供了明确方向。特别是研究指出，通过选择适当溶剂体系或对孔道进行疏水改性，可显著提升TE-PET膜的稳定性。虽然目前支撑层溶胀问题仍制约着复合膜性能，但该研究为开发下一代高稳定性径迹蚀刻膜奠定了理论基础，对推动膜分离技术在海水淡化、生物医药等领域的应用具有重要价值。