《Desalination》：Atomic layer deposition–engineered polymeric membranes for aqueous separation in high-salinity systems: Design principles for pretreatment and brine management
编辑推荐：
梅纳塞里·拉克希米（Menassery Lakshmi）|朴俊勇（Junyong Park）韩国庆北郡古米市库莫国家理工学院（Kumoh National Institute of Technology）材料科学与工程学院，邮编39177摘要像工业盐水和反渗透（RO）浓缩液这样化
梅纳塞里·拉克希米（Menassery Lakshmi）|朴俊勇（Junyong Park）
韩国庆北郡古米市库莫国家理工学院（Kumoh National Institute of Technology）材料科学与工程学院，邮编39177
摘要
像工业盐水和反渗透（RO）浓缩液这样化学成分复杂、高盐度的水体，会通过严重的污染、结垢、化学侵蚀以及高昂的清洗需求给传统的膜分离技术带来挑战。原子层沉积（ALD）作为一种表面工程技术，能够在多孔聚合物膜上形成均匀的纳米级涂层，实现微观层面的表面化学控制、孔壁功能调节以及界面性能的提升，同时不破坏膜的基础孔结构。本文提出了一个以海水淡化为目标的设计框架，将ALD工艺参数（涂层成分、循环次数、表面均匀性限制及低温处理策略）与淡化性能指标（如渗透性与选择性的权衡、污染抑制能力、在高盐度条件下的化学稳定性以及技术经济可行性）联系起来。我们探讨了ALD制备的金属氧化物薄膜和混合层如何提升低成本微滤/超滤（MF/UF）预处理膜的性能，如何调整膜的电荷特性和润湿性以适应纳滤/反渗透（NF/RO）操作，并指出了实际应用中的限制因素，包括在厚多孔支撑材料中的前驱体传输限制、孔堵塞风险以及传统ALD工艺的产量和成本瓶颈。最后，我们概述了放大生产的路径（常压和空间尺度下的制备方法，以及卷对卷工艺），并提出了标准化的水淡化相关测试和经济评估标准，以便将ALD改性的膜从实验室验证应用到实际的海水淡化前处理和盐水资源管理系统中。
引言
安全可靠的供水仍然是当今尚未解决的关键问题之一，也是我们面临的最紧迫挑战之一[1]、[2]。如今，海水淡化技术在咸水或海水可获取的地区被广泛用于解决淡水短缺问题。海水淡化可以通过膜分离技术（如反渗透RO和电渗析）或热法（如多效蒸馏MED、多级闪蒸MSF和机械蒸汽压缩MVC）来实现[3]、[4]、[5]。由于其较高的能源效率，近年来RO技术已基本取代了热法淡化方法，成为从海水和咸水中生产饮用水的主要手段[6]。因此，RO系统的性能越来越重要，尤其是在预处理环节。超滤（UF）和微滤（MF）等预处理步骤因能有效去除水中的颗粒物、浊度、微生物和大分子污染物质而受到高度重视[7]、[8]、[9]。尽管MF和UF在去除大颗粒和微生物方面具有优势，但它们使用的传统聚合物膜通常通过相转化工艺制备，存在孔径分布不均匀和固有的疏水性问题，这容易导致严重的污染[10]、[11]、[12]。因此，人们迫切需要开发低成本、高能效的处理技术，以实现更高的水回收率和在高盐度条件下的稳定运行。
为克服这些限制，原子层沉积（ALD）技术作为一种独特的表面工程方法应运而生，它能够在不影响膜基础孔结构或机械柔性的前提下，对复杂多孔基底上的涂层厚度和成分进行精确的原子级控制[13]、[14]、[15]、[16]。尽管ALD技术在微电子、催化和储能领域的潜力已被广泛认可，但其在水淡化膜工程中的应用仍处于起步阶段[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。尽管已有大量研究探索ALD在膜改性中的应用，但对其在水净化和预处理系统中的综合应用机制仍缺乏系统性的总结[16]、[25]。
因此，本文旨在为ALD在水淡化膜工程中的应用提供一套系统的框架。尽管大部分现有研究集中在MF/UF预处理膜上，但本文的主要讨论也提到了这一点。本文提出了一个基于决策的框架，将进水水质和操作条件（盐度、结垢倾向、清洗要求）与ALD工艺参数（化学成分、循环次数和表面均匀性限制）以及预处理和盐水资源管理所需的性能指标（通量保留、通量恢复率和耐久性）联系起来。图1概述了ALD改性聚合物膜在水净化和水处理系统中的应用范围和关键性能领域，包括预处理、NF/RO优化、润湿性控制、化学稳定性、盐水资源管理、工业废水处理以及可扩展的部署策略。
章节摘录
ALD在水淡化膜工程中的基础原理
ALD是一种特殊形式的化学气相沉积（CVD），它通过交替的自限性气-固表面反应逐层构建薄膜，能够实现埃级精度的厚度控制，且对基底拓扑结构具有天然的适应性。薄膜生长通过重复循环进行，每次沉积精确可控且可重复的少量材料，直至达到目标厚度。
关于ALD的更多细节...
ALD改性微滤/超滤膜在淡化预处理中的性能
ALD技术能够精确调控微滤（MF）膜的表面和孔壁结构，为低成本聚合物和陶瓷基底提供升级方案，适用于海水淡化预处理和高盐度废水处理。均匀分布的金属氧化物涂层显著增强了膜的化学耐受性、抗污染能力和润湿控制性能，同时保持了或提升了膜的渗透性和颗粒截留能力。本文综述了MF膜性能的三个核心方面：
ALD改性膜的技术经济可行性及放大生产路径
工业膜预处理系统需要实现高产量、长使用寿命和低成本的处理效果。ALD技术虽然能很好地控制孔壁功能和界面稳定性，但会增加循环时间、前驱体消耗和反应器复杂性，尤其是在真空系统中。因此，应通过淡化相关的经济指标（如单位面积涂层成本、处理量、前驱体利用率等）来评估其可行性。
结论与展望
化学成分复杂、高盐度的水体需要强大的预处理和盐水资源管理方案。研究表明，ALD改性的聚合物膜可以提供实用的界面改性工具，通过形成均匀的金属氧化物和混合涂层来提升膜的亲水性、调节表面电荷、抑制污染，并在保持多孔结构的同时提高化学稳定性。
然而，在实际的水淡化应用中...
作者贡献声明
梅纳塞里·拉克希米（Menassery Lakshmi）： 负责初稿撰写、实验设计与概念构思。朴俊勇（Junyong Park）： 负责审稿与编辑工作、监督研究过程、争取资金支持及概念验证。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF，项目编号：NRF-2022M3H4A1A04068923）的资助，该基金由韩国科学技术信息通信部（MSIT）提供；同时得到了庆北地区创新系统与教育计划（RISE）-区域增长创新实验室（RISE-LAB）的支持，该项目由韩国教育部（MOE）和庆北道政府（2026-rise-15-105项目）共同资助。
