综述：聚乙烯膜在分离技术中的进展：从制造方法到新兴应用

《Desalination》：Advances in polyethylene membranes for separation technologies: From fabrication methods to emerging applications

　　瓦希德·瓦塔纳普尔（Vahid Vatanpour）、梅赫兰·比贾里（Mehran Bijari）、莫兹德赫·雷兹瓦尼·卡沙尼（Mozhdeh Rezvani Kashani）、吉泽姆·通贾伊（Gizem Tuncay）、伊斯梅尔·科云库（Ismail Koyuncu）
伊朗德黑兰卡拉兹米大学化学系应用化学系

**摘要**
聚乙烯（PE）因其卓越的化学耐受性、机械强度、低成本以及工业可扩展性，已成为分离膜制造领域极具吸引力的材料。与传统膜聚合物相比，PE在恶劣的化学和溶剂环境中表现出优异的稳定性，因此特别适合用于先进的分离过程。本综述全面介绍了基于PE的分离膜的最新发展，重点讨论了聚合物结构、膜配置、制造策略、表面改性方法以及应用领域。本文还探讨了不同类型PE（包括低密度PE（LDPE）、线性低密度PE（LLDPE）、高密度PE（HDPE）和超高分子量PE（UHMWPE）的基本物理化学性质及其对膜性能的影响。文章系统评估了多种膜结构，如平板膜、薄膜复合材料、纳米纤维膜和中空纤维膜，并重点介绍了热诱导相分离（TIPS）、拉伸、熔融纺丝、接枝以及模板辅助等技术对孔结构和传输性能的影响。同时，还提出了一系列克服PE天然疏水性和界面粘附性差的策略，包括表面接枝、涂层、共聚以及功能性添加剂的引入。此外，综述还总结了基于PE的膜在微滤、超滤、反渗透和正向渗透、膜蒸馏、渗透蒸发、离子交换系统及电池隔膜中的应用。最后，指出了当前存在的问题以及未来推动PE膜技术向高性能和可持续分离系统发展的研究方向。

**引言**
膜技术涉及利用半透膜选择性允许混合物中某些组分通过的同时有效保留其他组分的分离过程。这种选择性基于粒径、电荷或化学亲和性等特性。目前已有多种聚合物被用于膜的生产，包括聚砜（PSf）、聚醚砜（PES）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、纤维素及其衍生物、多糖和聚酰胺（PA）等。这些膜在多个领域有重要应用，如水和废水处理（例如脱盐、过滤、油水分离）、气体分离、能源系统（如电池和燃料电池），以及医疗设备（尤其是在血液透析和药物输送系统中的应用）。

传统基于聚合物的膜存在一些先天限制，影响了其分离性能和应用范围。这些问题包括较厚的基底厚度以及不足的化学和溶剂耐受性，从而降低了填充密度并加剧了某些分离过程（如正向渗透）中的内部浓度极化（ICP）。虽然含氟聚合物（如聚四氟乙烯（PTFE）具有优异的溶剂耐受性，但其使用受到氟化学相关环境问题的限制；聚醚醚酮（PEEK）虽然具有出色的热稳定性和溶剂稳定性，但由于材料成本高及需要使用苛刻的加工溶剂而应用受限。此外，这类膜在恶劣操作条件或有机溶剂环境中容易发生膨胀、压缩和污染。许多聚合物基底的天然疏水性和较高的厚度导致润湿性差和传质阻力增加，从而降低了水通量，并加剧了污染倾向，最终缩短了膜的使用寿命和整体分离效率。此外，相对较高的生产和加工成本也是实际应用中的限制因素。在透水性和选择性之间寻求最佳平衡仍是一个关键挑战，因为一个参数的改进往往会对另一个参数产生不利影响。为了对比聚乙烯（PE）与PVDF、PTFE或PEEK等高性能聚合物的性能，表1提供了定性的比较。PE具有成本效益和优异的工业适用性，而PVDF和PTFE则具有更好的化学耐受性和热稳定性；PEEK则具有更高的机械强度和尺寸稳定性。选择合适的膜材料应基于应用需求、操作条件和成本考虑。

基于PE的膜具有多项显著优势。PE对多种有机溶剂具有优异的耐受性，并具备出色的机械和化学稳定性，特别适用于有机溶剂正向渗透（OSFO）和纳米过滤（NF）等高要求的应用。超薄PE基底（厚度可达5–10μm）的商业可用性使得能够制造出高通量（高达约16 L m2/h.bar）和高效选择性的薄膜复合材料（TFC）膜。这些膜在长时间运行条件下仍能保持优异的溶剂稳定性、较高的水和酒精通量以及对盐类和药物化合物的强排斥能力。此外，PE固有的高孔隙率和互连的孔网络有助于形成均匀、无缺陷的选择性层，从而提高透水性和选择性。简化的制造过程以及相比传统聚合物基底更低的成本进一步增强了PE膜在可扩展且经济可行的生产中的竞争力。

近年来，大量研究致力于探索基于PE的膜在各种分离技术中的应用，包括薄膜复合材料（TFC）、反渗透（RO）、微滤（MF）、超滤（UF）、废水处理、脱盐过程、渗透蒸发和电池隔膜等。这些研究表明，人们越来越关注利用PE膜提升各种应用中的分离效率。PE膜可通过多种成熟技术制造，如热诱导相分离（TIPS）、拉伸、熔融纺丝和熔融成型。每种方法都会显著影响最终膜的结构和性能。TIPS技术对于溶解度较低的聚合物尤为重要。拉伸方法通过控制温度拉伸PE薄膜以形成微孔结构，通常与其他技术结合使用。熔融纺丝是制造多孔PE纤维和薄膜的主要方法，而熔融成型则通过熔化聚合物来塑造膜形状。

尽管PE膜具有诸多优点，但也存在显著的缺点。其天然疏水性导致润湿性差且易污染。实现均匀的孔径分布和高孔隙率存在挑战，尤其是对于高密度或超高分子量的PE变体。当用作TFC膜的基底时，PE由于表面能较低而与选择性层之间的粘附性较差，导致选择性层不均匀、界面缺陷和长期稳定性下降。此外，PE的化学惰性使得引入增强反应性或特定分离功能所需的功能基团变得复杂。为了解决这些问题，人们开发了一系列改性策略，如用PVA或多巴胺（PDA）等亲水性聚合物涂层膜表面，或通过等离子体处理或化学沉积引入功能基团。在制造过程中加入亲水性添加剂（如聚乙二醇（PEG）、二氧化硅纳米颗粒）可以改善润湿性并优化孔结构。此外，在改性PE基底上进行界面聚合有助于形成无缺陷的选择性层，从而提升透水性和选择性。这些改进不仅增强了抗污染性能和水通量，还扩展了PE膜在分离过程中的应用范围。因此，相关研究持续推动PE膜的发展，近期研究侧重于静电纺丝、纳米纤维、吸附、界面聚合和表面改性等方面。

**出版趋势**
过去四十年间，关于PE膜的研究持续增加（图1b），数据显示中国、日本和美国是目前该领域的领先研究国家（图1c）。鉴于PE在膜科学中的重要性，对现有研究的全面评估对于明确该领域的最新进展和未来机遇至关重要。本综述系统探讨了基于PE的膜的聚合物结构和物理化学特性，以及用于提升膜性能的主要制造和改性方法，同时还考虑了膜的主要结构配置及其在离子交换系统、微滤/超滤操作、TFC基NF/RO/FO过程、膜蒸馏和电池隔膜技术中的应用。通过对这些研究的整合，本文为基于PE的分离膜的发展提供了深入的见解，并指出了后续研究和技术发展的关键方向。

**术语说明**
- **聚乙烯（PE）**：一种广泛使用的热塑性聚合物，以其化学耐受性、柔韧性和可加工性著称。
- **薄膜复合材料（TFC）**：由PE基底和超薄选择性膜组成的复合膜。
- **拉伸**：在膜生产中，通过拉伸聚合物薄膜来制造微孔膜的过程。
- **离子交换膜**：能够选择性交换和分离液体中离子的膜。
- **挑战与未来方向**：基于PE的膜作为坚固、低成本且化学稳定的替代品受到广泛关注，但在先进分离过程中的广泛应用仍受限于一些科学和技术挑战。

**作者贡献声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益关系或个人关系。

**致谢**
作者感谢卡拉兹米大学（伊朗）和伊斯坦布尔技术大学（土耳其）对这项研究的支持。