揭示聚酰胺纳滤膜中漏斗效应与沟槽效应对水渗透性和抗污染性能的调控机制

推荐：本研究针对传统薄膜复合(TFC)膜因漏斗效应导致的水渗透路径延长和通量分布不均问题，通过实验与模型模拟相结合，首次提出水渗透性校准方法，揭示PA材料本征渗透性(Pw,IntH)可达表观值数倍。系统阐明基底孔隙率和PA厚度对沟槽/漏斗效应竞争关系的调控机制，证明沟槽效应可提升75%水通量并将污染通量衰减从33%降至13%，为高性能TFC膜设计提供理论依据。

　　

在膜分离技术领域，聚酰胺(PA)纳滤(NF)膜因其优异的分离性能被广泛应用于水处理和资源回收。然而，传统薄膜复合(TFC)膜长期面临一个固有难题——漏斗效应(funnel effect)。这种现象源于水分子在PA层中需横向移动至基底孔隙才能通过，导致实际传输路径远大于膜厚度，不仅显著降低水通量，还造成膜表面通量分布不均，进而加剧膜污染。更棘手的是，这种弯曲的传输路径使得学界难以准确测定PA材料的本征水渗透性(P_w,Int^H)，而该参数对膜性能设计至关重要，如同导电性之于电荷传输、导热性之于热传递。

针对这些挑战，香港大学的研究团队在《Water Research》发表创新性研究。他们首次开发出传输路径校准法，准确测定PA材料的本征渗透性，发现校准值可达表观渗透性(P_w,App^H)的数倍。通过系统研究基底孔隙率、PA厚度等关键参数与中间层的交互作用，揭示沟槽效应(gutter effect)对缓解漏斗效应的作用规律：对于漏斗效应严重的薄PA/低孔隙率膜，中间层可使水通量提升75%，并将污染测试中的通量衰减从33%显著降至13%。

研究采用三大关键技术：1) 自由界面界面聚合(IP)法制备厚度可控的PA层(30nm/150nm)；2) COMSOL Multiphysics建立3D模型量化水渗透效率(η_J=A_App/A_Int)；3) 标准化污染测试体系(200ppm BSA，初始通量30L·m^-2·h^-1)评估抗污染性能。

3.1 漏斗效应与沟槽效应对水渗透性的影响
通过制备薄/厚PA层(32.9nm/151.2nm)并负载于不同孔隙率基底(3.3%-21.5%)，发现薄PA膜的水通量更易受基底孔隙率影响。当孔隙率从3.3%增至21.5%，薄PA膜通量提升3.5倍，而厚PA膜仅增1.3倍，证实薄PA膜中横向阻力主导传输过程。聚多巴胺(PDA)中间层使薄PA膜通量最高提升75%，但对厚PA膜作用微弱，甚至在高孔隙率基底导致通量轻微下降，说明沟槽效应仅对漏斗效应显著的体系有效。

3.2 漏斗效应严重程度与沟槽效应效率
创新性提出水渗透效率(η_J)概念，通过实验通量(A_App)与模拟η_J的线性关系，计算出薄/厚PA膜的本征通量(A_Int)分别为24.0和5.2L·m^-2·h^-1·bar^-1。校准后的本征渗透性(P_w,Int^H=A_Int×l)均为2.2×10^-18 m²·s^-1·Pa^-1，而传统方法计算的表观值(P_w,App^H)偏差达5倍。

3.3 传输路径对膜污染倾向的影响
低η_J值(0.36)的Thin-005膜在污染测试中通量衰减达33%，而η_J接近1的中间层改性膜仅衰减13%。COMSOL模拟显示，低η_J膜存在显著通量"热点"(局部通量达平均值的3倍)，加速污染物沉积；沟槽效应使通量分布均匀化，将最大局部通量降低58%。

3.4 展望
研究建立的传输路径校准方法破解了本征渗透性测定难题，其意义堪比膜材料领域的"本征电导率"测量。未来可建立膜材料化学-性能关系数据库，推动高性能膜理性设计。

这项研究不仅阐明了TFC膜性能调控的物理机制，更建立了膜材料本征特性的标准化表征方法。通过揭示沟槽效应与漏斗效应的竞争规律，为开发高通量、抗污染膜提供了明确的设计准则——对于薄PA/低孔隙率体系，中间层改性效益最大；而当PA厚度或基底孔隙率足够大时，应避免不必要的中间层引入。这些发现将推动膜技术在水处理、资源回收等领域的更广泛应用。