水凝胶填充膜的孔结构及过滤性能受组成影响

《Chemosphere》：Composition-dependent pore structure and filtration performance of hydrogel-filled membranes

研究通过合成聚（丙烯酸-环氧乙烷甲基丙烯酸酯）水凝胶填充聚醚砜微滤膜孔，调控膜结构与性能。发现GMA比例增加使膜孔径扩大30倍，显著提升水通量，在盐水和含油废水中均表现出优异分离性能，并利用SKK模型量化溶质渗透特性。分隔符：

　　在当前的水资源处理和工业分离技术中，膜分离方法因其高效性和资源回收潜力而备受关注。微滤（Microfiltration, MF）膜作为其中的重要类型，广泛应用于去除大尺寸溶质（如颗粒、细菌等）的场景。然而，传统的MF膜在处理复杂废水、高盐度或含油废水时，往往面临选择性不足、通量下降以及抗污染性能不佳等问题。为了解决这些挑战，研究人员不断探索新型膜材料与结构的优化策略，其中通过在膜孔隙中填充多孔聚合物的方法，成为提升膜性能的重要方向。

在本研究中，科学家们通过合成聚（甲基丙烯酸-缩水甘油基甲基丙烯酸酯）（p(MAA-GMA)）水凝胶，并将其填充到聚醚砜（Polyethersulfone, PES）MF膜的孔隙中，实现了对膜结构和性能的调控。这种填充策略不仅改变了膜的物理结构，还显著提升了其对特定溶质的分离能力。研究发现，随着GMA浓度的增加，水凝胶的网孔尺寸也相应增大，从而提高了膜的通量。在实验中，GMA含量为0.05 M的水凝胶填充膜，其水通量相较于仅填充p(MAA)的膜提升了30倍，显示出良好的应用前景。

水凝胶填充膜的性能评估不仅限于水通量的提升，还包括其在不同水质条件下的稳定性和选择性。为了更准确地量化水凝胶的渗透性，研究者采用了Happel的渗透性模型。该模型能够有效描述在膜孔隙中受限的水凝胶对溶质传输的影响。结果显示，GMA含量较高的水凝胶在水传输中贡献了22%的通量，这一数值比仅填充p(MAA)的膜高出15%。这表明，GMA在水凝胶中的存在不仅影响了其结构特性，还显著改善了膜的水传输性能。

此外，研究还评估了填充水凝胶膜在不同操作条件下的稳定性。通过在0.3 bar跨膜压下进行24小时的稳定性测试，研究人员发现，这些膜在长时间运行过程中表现出了一定的凝胶压缩效应，这可能与水凝胶的物理结构和其在膜孔隙中的分布有关。凝胶压缩效应意味着在高压力下，水凝胶可能会部分塌陷，从而改变膜的孔隙结构和传输特性。然而，这种效应在实验条件下并未导致膜的完全失效，反而可能为膜在工业应用中的优化提供了新的思路。

在处理高盐度废水时，研究者发现GMA含量较高的水凝胶填充膜表现出更高的渗透通量。这可能是由于GMA的疏水特性降低了水凝胶与盐溶液之间的相互作用，从而促进了水分子的快速传输。然而，值得注意的是，这些膜在盐分的截留方面依然保持了较高的性能。在5%的渗透回收率下，所有膜均表现出良好的盐分截留能力，这为后续使用Spiegler-Kedem-Katchalsky（SKK）模型估算膜的半渗透性提供了基础。SKK模型是一种适用于膜分离过程的理论模型，能够独立于溶质的类型和电荷特性，估算膜的溶质渗透性和反射系数。通过该模型，研究者能够更深入地理解膜与不同离子之间的相互作用机制，从而为膜材料的设计提供理论支持。

在实际应用中，水凝胶填充膜不仅需要具备良好的水传输性能，还必须能够有效处理含油废水。为此，研究者对填充水凝胶的膜进行了含油废水的过滤测试。结果显示，当膜接触含油废水时，其通量会出现一定程度的下降，这主要归因于油类物质在水凝胶表面的吸附作用。然而，膜本身并未表现出明显的油渗透现象，说明水凝胶在膜孔隙中的填充方式能够有效防止油类物质通过膜结构。这种性能对于工业废水处理，尤其是在纺织废水等有机物含量较高的场景中，具有重要意义。

纺织废水因其高化学需氧量（COD）和高盐度而成为膜分离技术应用的重要挑战。研究者通过实验发现，当使用PMG 5.0膜处理高COD纺织废水时，其COD去除率可达68%。同时，在10%的渗透回收率下，总溶解固体（TDS）的去除率也达到了10%。值得注意的是，随着高盐度废水的处理，膜的通量呈现出逐渐上升的趋势。这表明，水凝胶填充膜在处理高盐度废水时，不仅能够维持较高的分离效率，还能够通过结构调控实现通量的优化。这种性能的提升可能与水凝胶的网孔结构和其在膜孔隙中的分布有关，进一步验证了通过调整水凝胶成分来改善膜性能的可行性。

为了进一步探索水凝胶填充膜在工业废水处理中的潜力，研究者还对膜的结构和传输特性进行了系统分析。通过实验手段，研究人员测量了膜的平均孔径、水凝胶的网孔尺寸、达西渗透系数以及水凝胶的渗透性。这些参数不仅有助于理解膜的物理结构，还能够为后续的溶质传输模型提供基础数据。例如，SKK模型的应用使得研究者能够估算不同离子在膜中的渗透性和反射系数，从而预测膜在实际操作中的分离性能。这种模型的引入，为膜材料的优化设计提供了重要的理论依据。

在膜的制备过程中，水凝胶的合成和填充是关键步骤。研究者采用自由基聚合方法，在PES MF膜的孔隙中合成水凝胶。通过调整MAA和GMA的摩尔比例，研究人员能够精细调控水凝胶的结构和性能。实验中使用的水凝胶具有1.13%的交联密度，这一数值确保了水凝胶在膜孔隙中的均匀分布，同时避免了过度交联导致的结构缺陷。通过傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等化学表征手段，研究人员确认了水凝胶在膜中的存在，并进一步分析了其化学组成对膜性能的影响。

从实际应用的角度来看，水凝胶填充膜的制备方法具有较高的可扩展性。相较于传统的表面改性或纳米材料复合方法，水凝胶填充策略更加简单且易于大规模生产。这种方法不仅可以实现对膜结构的调控，还能够通过改变水凝胶的组成，灵活应对不同水质条件下的分离需求。例如，在高盐度废水处理中，水凝胶的疏水特性有助于提升通量，而在含油废水处理中，水凝胶的亲水性和吸附能力则能够有效防止油类物质渗透。这种多功能性使得水凝胶填充膜在工业分离领域展现出广阔的应用前景。

为了验证水凝胶填充膜在实际操作中的性能，研究者还进行了跨流过滤实验。这种实验模式能够更真实地模拟工业废水处理过程中的流体动力学条件，从而更准确地评估膜的分离效率和稳定性。实验结果表明，水凝胶填充膜在固定跨膜压和进水流量条件下，能够保持较高的通量和良好的溶质截留能力。此外，膜在长时间运行过程中表现出良好的抗污染性能，这可能与水凝胶的物理结构和化学特性有关。水凝胶的网孔结构能够有效捕获污染物，而其亲水性则有助于减少膜表面的污染积累。

在处理不同类型的溶质时，水凝胶填充膜的性能也表现出一定的差异。例如，在处理单价离子（如NaCl和Na?SO?）和双价离子（如CaCl?）时，膜的通量和截留能力均受到水凝胶结构的影响。通过SKK模型的分析，研究人员发现，GMA含量较高的水凝胶能够更有效地截留双价离子，这可能是由于其疏水特性降低了离子在膜孔隙中的扩散能力。然而，对于单价离子，水凝胶的结构对通量的影响相对较小，说明膜的性能调控需要综合考虑溶质的性质和水凝胶的组成。

从长远来看，水凝胶填充膜的开发不仅能够提升膜分离技术的性能，还可能推动其在更多工业场景中的应用。例如，在上游和下游处理过程中，水凝胶填充膜可以用于分离不同尺寸的溶质，从而提高整体的处理效率。此外，水凝胶的响应性特性也为膜材料的智能调控提供了可能。通过调整水凝胶的化学组成，研究人员可以开发出能够根据环境条件（如pH值、离子强度或温度）自动调整结构的膜材料，这种智能膜有望在未来的水资源处理和工业分离技术中发挥重要作用。

总之，通过在PES MF膜孔隙中填充p(MAA-GMA)水凝胶，研究者成功实现了对膜结构和性能的调控。实验结果表明，GMA的引入不仅提高了膜的水通量，还增强了其对特定离子的截留能力。同时，水凝胶填充膜在处理含油废水和高盐度废水时表现出良好的抗污染性能和分离效率。这些发现为开发适用于工业废水处理的新型膜材料提供了重要的理论和实验依据。未来的研究可以进一步探索水凝胶填充膜在不同水质条件下的性能表现，并尝试将其应用于更广泛的工业分离场景中。