二氧化氯(ClO2 )对聚酰胺膜pH依赖性降解机制的多尺度研究及其在海水淡化中的应用启示

本研究针对海水淡化中聚酰胺(PA)膜易受消毒剂降解的行业难题，系统揭示了二氧化氯(ClO2 )在不同pH条件下对MPD基(NF90/BW30)和哌嗪基(NF270)PA膜的差异化损伤机制。通过多尺度表征发现：碱性条件(pH 12)下ClO2 会直接攻击去质子化酰胺氮导致PA层剥离（通量骤增24倍），而酸性条件(pH 4)仅引发N-氯化反应的结构重排。该研究为工业膜材料选型与工艺优化提供了关键理论依据。

　　

随着全球淡水危机加剧，海水淡化技术成为解决水资源短缺的重要途径。其中聚酰胺(PA)反渗透膜因其优异的稳定性成为主流选择，但预处理过程中消毒剂对膜的化学侵蚀始终是行业痛点。传统氯消毒会产生致癌副产物并严重损伤膜结构，而新兴替代品二氧化氯(ClO₂
)虽能减少副产物，其对PA膜的作用机制却长期不明。特别是在不同pH环境下，ClO₂
究竟通过何种途径影响膜性能？这一科学盲区直接制约着工艺优化与膜材料开发。

韩国国立研究基金会资助的研究团队在《Desalination》发表的重要研究，首次系统阐明了ClO₂
对PA膜的pH依赖性降解规律。研究人员选取两类代表性商用膜：基于间苯二胺(MPD)的NF90/BW30膜和基于哌嗪的NF270膜，通过控制pH(4/10/12)和ClO₂
浓度(100 ppm)，结合SEM、AFM、XPS等先进表征技术，揭示了从分子层面到宏观性能的损伤机制。

关键技术包括：采用NaClO₂
-H₂
SO₄
反应体系制备ClO₂
溶液，通过交叉流过滤测试评估膜性能变化，利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析化学键变化，结合飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)解析表面元素分布。

主要发现

1. Production of ClO₂
   solution and PA membranes used in this study
   通过冰浴辅助的气液反应制备高纯度ClO₂
   溶液，确保实验条件可控性。

2. Impact of ClO₂
   on MPD-based and piperazine-based PA membranes

• 酸性条件(pH 4)：NF90膜出现3 LMH通量下降和盐截留率提升(84%→92%)，源于N-氯化反应引发的结构重排
• 碱性条件(pH 12)：NF90通量暴增10倍且截留率归零，BW30更出现24倍通量增长，SEM显示PA层大面积剥离
• NF270在所有pH下均保持稳定，证实哌嗪结构具有独特抗性

1. 表面化学机制
   XPS证实碱性条件下酰胺氮去质子化形成-N^-
   ，易受ClO₂
   电泳攻击；ATR-FTIR显示1663 cm^-1
   处酰胺I带断裂是降解标志。

结论与意义
该研究首次建立ClO₂
-PA膜作用的pH响应模型：酸性环境通过N-氯化温和改性膜结构，而碱性环境引发不可逆降解。特别重要的是，发现哌嗪基NF270膜的卓越稳定性为新型膜材料设计指明方向。Byung-Moon Jun和Yu-Kyung Kim等提出的"酰胺氮去质子化-电泳攻击"理论，不仅完善了膜降解化学的基础认知，更指导工业界在海水淡化中优先选用哌嗪基膜或控制pH<10的操作条件。这项发表于《Desalination》的研究，为保障全球水安全提供了关键科学支撑。