综述：L-B-L 技术与界面聚合及相转化的比较：综述

《Process Safety and Environmental Protection》：Comparison of the L-B-L technique with Interfacial Polymerization and Phase Inversion: A review

　　

摘要

对节能净化和脱盐应用的需求推动了基于膜技术的分离工艺发展。膜的性能——以其渗透性、选择性、机械稳定性和抗污染特性来定义——本质上与所采用的制备技术紧密相关。本综述批判性地审视了三种主流制备范式：相转化法（PI）、界面聚合法（IP）和层层自组装法（LbL）。综述综合分析了各技术的工作原理、历史演变以及近期创新，重点关注其在选择性和渗透性方面的表现。文中对膜厚控制、可扩展性、材料多样性和环境足迹进行了对比分析。虽然相转化法被广泛用于制备不对称多孔膜，但浸没沉淀法在工业层面应用最为广泛。界面聚合法是反渗透和纳滤过程中超薄聚酰胺选择层的黄金标准，使其在需要选择性渗透的应用中极具优势。相比之下，层层自组装法已从实验室中的新奇方法发展为一种可扩展平台，用于制备高度定制化的多功能膜。层层自组装法通过带电材料的顺序沉积，在膜厚和性能控制方面具有精确性的突出优势。混合制备策略（例如在相转化支撑层上进行层层自组装、通过水相单体进行界面聚合改性）以及数字孪生技术在工艺优化中的应用也得到了探讨。我们得出结论：虽然目前界面聚合法制备的膜在脱盐工艺中占据主导地位，但由于先进加工技术的采用，层层自组装法正在迅速取得进展。未来展望中，将机器学习整合用于配方预测以及向绿色溶剂的转变，对于开发下一代纳滤膜仍至关重要。

引言

对海水或咸水等盐源进行脱盐将有助于缓解全球水资源短缺，并提供一定比例的淡水供应。传统的水处理方法涉及多种物理和化学过程的组合，但对于某些类型的水或废水处理仍不够充分。高能耗和苛刻的工况要求对持续应用这些过程构成了严重限制。为满足生活用淡水需求，基于膜技术的方法被用于脱盐和水处理。基于膜的分离工艺在全球淡化水产量中占相当比例，并且在制药、食品和生物技术领域不可或缺（Hosseini等，2020年；Sholl和Lively，2016年）。随着膜技术在众多应用中服务于多样化需求，其关注度持续增长。膜技术被认为是一种经济高效的技术，能够确保持续供应清洁水并保护环境。此外，膜技术对化学添加剂的依赖较少、系统设计紧凑且可模块化操作，这些都是其优势所在。膜可以通过实验室或工业环境中各种现成的化学物质进行制备，体现了其通用性和可扩展性。基于膜的过滤器有一个有趣的特点，即膜在制备过程中或制备后可以通过调整来表现出特定的结构和性能（Chong等，2025年；Jiang等，2018年；Lingaya等，2024年），使其成为适用于多种水质处理的理想柔性技术。在不同膜类别（有机、无机和有机-无机）中，有机膜——主要来自纤维素和聚合物——以其易于制备、可扩展性和成本效益著称（Karki等，2024年）。有机制造的膜，通常称为聚合物膜，是水处理和废水处理中使用最广泛的膜类型。尽管膜技术经过多年发展，渗透性-选择性权衡等问题仍然从根本上限制了聚合物膜在某些条件下的应用。

制备技术被广泛认为会影响合成膜的性质，进而影响其性能。固有的过滤性能可以通过构建屏障层或对现有屏障支撑层进行改性来调控，这取决于所采用的制备策略（Jiang等，2023年；Shi等，2026年）。膜性能受多种参数影响，包括多孔结构、表面电荷、孔径、膜形貌、疏水性/亲水性、表面粗糙度以及前驱体聚合物的结晶性，这些均源于膜材料选择和制备技术（Guo等，2025年）。常用的制备技术包括界面聚合法、相转化法、径迹蚀刻法、拉伸法和电纺法（Cheng等，2025年；Dharupaneedi等，2019年；Jaafar和Nasir，2022年；Lalia等，2013年）。该领域知识和信息的不断增加促使了多项关于膜制备的综述发表，重点阐述了结构、性能与表现之间的关系（Chong等，2025年；Lalia等，2013年）。对于水/废水处理与净化，开发高通量、高选择性的膜是所有膜设计者的目标。如前所述，膜科学面临的根本挑战仍然是"渗透性-选择性"权衡；增大孔径以提高水通量通常会损害溶质的截留率，而提高膜的溶质截留能力有时也会影响渗透性（Li等，2025a；Park等，2017年）。因此，在纳米尺度上精确设计膜结构已成为现代制备技术的核心目标。

膜分离技术是一种压力驱动过程，根据过滤尺寸进行分类。低压膜包括微滤（MF）和超滤（UF），而高压驱动过程包括纳滤（NF）和反渗透（RO）（Adeniyi等，2022年；Du等，2017年；Nompumelelo等，2023年）。纳滤膜在水脱盐和废水处理中的应用持续不断，因为其具有介于反渗透和超滤膜之间的特征（孔径），并且基于两种截留机制运行，即筛分机制和非筛分机制（Nompumelelo等，2023年；Roy和Warsinger，2017年）。纳滤不像反渗透那样耗能，但它具有在常温下去除多价离子的独特能力（Rautenbach和Gr?schl，1990年；Roy和Warsinger，2017年）。无机盐和小分子有机溶质均可通过纳滤从水中轻松去除（Wei等，2018年）。在各种压力驱动膜工艺中，纳滤膜技术在性能、成本和环境保护方面处于平衡地位。

纳滤过程十分复杂，高度依赖于膜纳米孔内及膜表面发生的界面和微流体力学事件（Mallakpour和Azadi，2022年）。在运行或中试规模下，这些技术的纳滤膜工业应用已在多个领域得到确立。例如，基于相转化法的中空纤维/卷式超滤/纳滤支撑层主导了商用模块（Goh等，2022年）。聚醚砜（PES）和聚砜（PSf）等材料被用于增强超薄选择层。同样，基于界面聚合法的薄膜复合（TFC）卷式膜是咸水纳滤处理的现有技术。在此情况下，聚酰亚胺和聚酰胺选择层已被加工成中空纤维膜用于有机溶剂回收（Zhao等，2024a）。新兴的层层自组装中试生产线正被部署用于高附加值分离领域（例如染料/盐类纺织废水精处理）。一种层层自组装中空纤维纳滤膜被用于处理原始艾瑟尔湖（IJsselmeer）原水，以去除天然有机污染物（Ophorst等，2024年）。

先进的制备和改性策略是确保在不牺牲选择性-渗透性性能的前提下合成高性能纳滤膜的主要步骤。具有固有纳滤特征的膜可以全新构建，也可以在现有多孔支撑层上进行表面改性以增强性能。在不同的研究层面，这些技术迄今为止已被探索，各种提高膜性能的表面改性策略一直是多项研究的焦点，旨在提高抗污染性、渗透性、选择性和抗菌性能。Yao等（2025年）展示了纳滤膜在染料/盐水分离方面的制备和改性进展。他们比较了不同机制制备的纳滤膜的优缺点，并倡导持续创新膜制备技术，以创造多功能、稳定的膜。在纳滤膜的水处理过程中，多种溶质截留机制的组合被启动，包括位阻效应、介电效应、Donnan排斥和水合作用（Suhalim等，2022年）。纳滤膜的非筛分机制如图1所示。膜表面通过不同机制主动筛选溶质，阻止其与水一同进入膜孔。

在膜制备领域，各种方法的研究揭示了推动效率和性能进步的关键洞察。三种制备技术从根本上主导了纳滤膜的开发，特别是在水净化和废水处理方面。每种技术——层层自组装（LbL）、界面聚合（IP）和相转化（PI）——都具有独特属性，有助于膜应用的整体有效性。通过对比这些方法，研究人员发现了各自的强项、弱项以及潜在的提升领域，而这些仅通过孤立考察是无法发现的。各种技术的不断改良持续到至今，因为底材、制备条件、反应步骤和试剂等方面的不断调整持续改进着所得膜的性质和性能。

相转化法和界面聚合法等传统技术在数十年来一直是膜制备的基石（Liu等，2020年；Mondal等，2018年；Zhang等，2020年）。膜结构缺乏精确控制、使用环境危害性溶剂以及对新材料的适应性等问题，使得在高性能膜需求面前持续采用这些技术面临挑战。能够确保对结构、形貌和厚度进行精确控制的技术对于生产均匀、无缺陷的膜至关重要。

本研究确认了膜在多个领域的创新应用：能量存储、生物医学、光电和环境技术。然而，本综述将重点关注应用于水脱盐、水回用和废水处理的纳滤膜形成技术。虽然前文提到的每种技术都已被单独进行了详尽的综述（Lu和Elimelech，2021年；Richardson等，2016年；Rozelle等，2000年；Tang等，2021年；Zhang等，2020年；Zhang等，2021年），但文献中缺乏一种统一的、批判性的比较，来根据当代挑战的相关一致指标对其进行评估；具体而言，即纳滤膜在净水渗透性、溶质截留、制备条件以及可持续制造方面的性能（Razali等，2023年）。本综述通过提供相转化法、界面聚合法和层层自组装法的全面并排分析来填补这一空白。首先简要探索了每种膜技术的历史演变。然后介绍了当前成熟技术的要点。接着，我们不仅评估了经典机制，还评估了2020年至2026年间的最新突破，包括混合膜形成技术。贯穿本文各章节，在技术性能比较中优先引用近期出版物，除非比较不具有重要性。

片段摘要

膜制备的历史演变

三种技术在历史上定义了聚合物膜制备的格局。相转化法（PI）最早由Loeb和Sourirajan在1960年代进行了系统表征，仍然是生产不对称多孔支撑层的主要方法（Loeb和Sourirajan，1962年）——当时将醋酸纤维素膜从醋酸纤维素聚合物溶液中沉淀，引入水浴中。相转化法是制备聚合物膜最通用的技术，可产出各种膜。

膜厚度和结构控制

这三种技术在根本不同的控制尺度上运行。相转化法是一种体相过程，能够生成选择层和亚层结构；虽然它产生不对称皮层结构，但该皮层通常厚达数百纳米至微米级，且孔径具有固有的宽多分散性（Strathmann，2011年）。影响相转化法的因素包括聚合物浓度、溶剂比例、浇铸方法和设备、强迫对流蒸发速率以及浇铸剪切等。

相转化法、界面聚合法和层层自组装法对比分析的当前见解

相转化法、界面聚合法和层层自组装法的三元框架已不足以描述当前的技术前沿，因为每种技术仍在持续演进。有趣的是，制备技术正在趋同，利用每种技术的独特优势来弥补其他技术的不足。现代高性能膜，即使仅使用单一技术制备，仍然需要其他技术的方法。有证据表明……

未来研究方向

多年来，多项研究考察了这些技术的有效性。在很大程度上，每种技术都已进化。虽然原理根本相同，但在必要时进行细微调整。不同的改性措施使得生产更精密的纳滤膜成为可能，这体现在膜的净水渗透性和选择性上。相转化法、界面聚合法和层层自组装技术在纳滤膜制备中的对比分析总结在表4中。趋势已从……

结论

在复杂的膜制备领域中，各种技术呈现独特的优势和不足。

逐层组装（LbL）、界面聚合（IP）和相转化（PI）均展现出独特的优势，但每种方法都存在特定的挑战，影响其可持续性、可扩展性、稳定性或性能中的某一方面。这些技术之间的界限正在逐渐模糊，现代膜工程师必须熟练掌握所有三种方法。最令人兴奋的发展Uncited references(Ge et al., 2025, Zhang et al., 2020)资助声明本工作的研究部分由南非国家研究基金会（编号：CSUR240503217257）支持CRediT作者贡献声明Amos Adeniyi：撰写——审阅与编辑，指导，资源，项目管理，经费获取，构思。Olayomi Abiodun Falowo：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，验证，方法学，调查研究，形式化分析。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。致谢作者感谢南非国家研究基金会提供的研究支持。声明与声明事项作者遵守科学工作的准备和发表所遵循的伦理标准。利益冲突作者没有相关的财务或非财务利益需要披露。Olayomi Abiodun Falowo|Amos Adeniyi