低压化学气相沉积法制备碳化硅涂覆氧化铝致密超滤膜及其高效硫酸根离子截留性能研究

针对工业废水中硫酸根(SO4 2? )去除难题，研究人员通过低压化学气相沉积(LP-CVD)技术将商用氧化铝(Al2 O3 )超滤膜改性为碳化硅(SiC)涂覆的致密超滤膜。该膜在7 nm大孔径下实现79%的SO4 2? 截留率，纯水渗透性达26 L·m?2 ·h?1 ·bar?1 ，突破了传统纳滤膜渗透性-选择性权衡限制，为工业废水处理提供新型高效陶瓷膜解决方案。

　　

工业废水中的硫酸根(SO₄
^2?
)污染是环境治理的棘手难题。传统聚合物纳滤(NF)膜虽能实现>90%的截留率，但存在机械强度低、化学稳定性差等缺陷；而陶瓷膜虽具备优异物化性能，但现有氧化铝、二氧化钛等陶瓷NF膜对SO₄
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的截留率普遍低于60%。更关键的是，传统溶胶-凝胶法制备碳化硅(SiC)膜需2100°C高温烧结，成本高昂。如何通过创新工艺开发兼具高截留率、高渗透性和稳定性的陶瓷膜，成为废水处理领域的重要挑战。

荷兰研究机构的研究团队在《Desalination》发表研究，提出通过低压化学气相沉积(LP-CVD)在700-900°C低温下单步制备SiC涂覆氧化铝致密超滤膜。该方法摒弃了传统多步骤涂覆-烧结工艺，通过精确控制沉积参数，在商用Al₂
O₃
UF膜表面构建5 μm纵向厚度、12 nm径向厚度的SiC涂层，形成平均孔径7 nm的新型选择性层。

研究采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征膜结构，通过汞侵入孔隙率测定法(MIP)分析孔径分布，利用电动力学分析仪测定zeta电位。性能测试采用自制错流过滤装置，在2-200 mM Na₂
SO₄
溶液和混合盐体系中评估截留率，结合德拜长度理论解析分离机制。

3.1 结构特性
STEM元素映射显示SiC完全包覆Al₂
O₃
颗粒，Si/C原子比1:1（图2）。MIP测得选择性层孔径从13 nm降至7 nm，但宏观孔(650 nm)结构得以保留（图3）。这种"大孔支撑-纳米选择层"的梯度结构为高通量奠定基础。

3.2 膜性能
SiC膜在pH=6时zeta电位达-70 mV，显著高于传统SiC膜(-20至-40 mV)。纯水渗透性26 L·m^?2
·h^?1
·bar^?1
，是溶胶-凝胶法TiO₂
膜(1.4-7)的3-18倍（表1）。

3.3 截留机制
在2 mM Na₂
SO₄
溶液中实现79%截留率，远超同孔径TiO₂
膜(39-60%)。当添加NaCl使离子强度升至200 mM时，因德拜长度从6.82 nm压缩至0.68 nm（表2），截留率降至34%，证实Donnan排斥主导分离过程（图6）。

该研究开创性地证明：LP-CVD单步改性可赋予大孔径陶瓷膜优异离子筛分能力。7 nm孔径膜对SO₄
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(0.38 nm)的高截留颠覆了传统尺寸筛分认知，揭示了表面电荷密度对分离性能的决定性作用。相比需要多次涂覆的溶胶-凝胶法，该工艺能耗降低60%以上，为工业规模生产抗污染、耐酸碱的废水处理膜开辟新路径。研究同时建立了"孔径-德拜长度-截留率"的定量关系模型，为设计针对特定离子的选择性膜提供理论框架。