改性超滤膜研究现状

摘 要： 超滤技术作为新一代的水处理技术日趋成熟，在水处理领域发挥着重要作用，而超滤膜污染是现在限制超滤技术进一步应用的主要问题，对现有超滤膜进行改性处理是近年来的研究重点。对超滤膜的改性处理进行了介绍，并对改性处理发展方向进行了展望。

关 键 词：超滤膜；膜改性；水处理

中图分类号：TQ051.893 文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）08-1272-04

当今社会飞速发展，伴随着发展而来的还有生态环境所面临的严峻挑战。中国的水资源匮乏，污染情况也十分严重[1]，与此同时人们追求更高的生活质量，对于水质的要求不断提升，因此需要更高效的水处理技术。随着严格的水质标准的出台，传统水处理方法的局限性逐渐凸显，超滤膜技术是基于传统技术的升级，可显著提升水处理的效率和效果[2]。近年来超滤技术飞速发展[3]，超滤膜技术正在水处理领域发挥着越来越重要的作用[4]。

目前超滤膜技术所带来的主要问题是针对溶解性小分子物质去除效果差和膜污染问题[5-7]，其中膜污染又是最主要的问题。因此，为了更好地应用超滤膜技术，解决膜污染问题刻不容缓。近年来国内外专家针对膜污染问题进行了多方面研究，发现对膜进行改性处理可以有效解决膜污染问题，说明该种方法是有继续研究价值的。

1 超滤膜技术及膜污染介绍

超滤膜技术是众多膜处理技术中的一种，该技术利用超滤膜两侧液体的压力差来使液体通过超滤膜[8]，从而达到对物质的过滤、分离和提纯等目的，需要被去除的物质会被超滤膜截留或者吸附，也正是因为这种工作原理，超滤膜很容易受到污染。当超滤膜截留或者吸附的物质过多时会对膜的性能和处理效果产生很大的影响，膜也就受到了污染，为了应对不同程度的污染，可以采用不同的处理方式，然而无论怎样处理，始终是会对膜造成影响，因此相比于在污染后进行补救，应对膜污染更好的方式应该是提高膜本身的抗污染能力，从而在处理同种等量水样时使膜受到的污染程度尽可能降低，延长膜的使用寿命，降低整体的费用。膜改性相当于在超滤膜受到污染前进行污染防治，所以国内外学者进行了大量有关的实验研究。

2 膜改性技术介绍

当前所使用的超滤膜主要有醋酸纤维类膜、聚乙烯类膜、聚砜类膜和陶瓷膜等。膜的材料不同，其理化性质和性能也有很大区别，同时每种材料的膜也都存在或多或少的缺点，对这些材料的膜进行改性处理可以有效提升膜的性能，不仅可以提高出水水质，还可以降低膜的反洗频率和更换次数，从而降低使用成本。目前常用的超滤膜改性方法有共混和接枝[9]等，还有学者用了一些其他方法来对超滤膜进行改性处理，不论什么方法，膜改性的主要原理都是通过改变膜的亲疏水性和抗污染性来达到降低膜污染的目的。

2.1 共混膜改性技术

共混膜改性技术的原理是将所使用的对膜进行改性处理的物质在一定温度下与超滤膜混合在一起，经过一定处理后形成hSIOpdG7uG7lw5VSUSa0Gu1WlCIpXxTW0R5FIeQ97oY=一种新的膜，相当于在原本膜材料中加入了改性材料，这是近年来使用最多的膜改性方法之一。陈贵靖等[10]使用苯乙烯-马来酸酐共聚物（SMA），通过非溶剂致相分离（NIPS）法与氯化聚氯乙烯膜（CPVC）进行共混，制备了一种新型共混膜，发现在凝固浴中加入适量的溶剂可以改善共混膜表面的膜孔结构和理化性质，从而提高了膜的抗污染性能。张晨等[11]以Troger base（TB）和磺化度为20%的磺化聚砜（SPSF）为共混材料，加入致孔剂，采用NIPS法制备了一种新型的SPSF/TB共混超滤膜，和原来的膜相比亲水性增加、水通量增加，同时抗污染能力也得到了大幅度提高，取得了良好的效果。殷俊等[12]则是先制备了表面接枝有聚甲基丙烯酸羟乙酯链段的无机纳米粒子（SiO2-g-PHEMA），然后将其与聚醚砜超滤膜共混在一起，制备了有机-无机复合膜，无机纳米粒子的加入大幅提升了膜表面的亲水性，当加入最适比例的纳米颗粒时，膜的纯水通量和油水通量能够分别达到208.68L·m-2·h-1和86.86L·m-2·h-1，展现出极佳的性能。冯翰[13]使用物理共混改性的方法对超滤膜进行了改性处理，研究结果表明复合超滤膜的水通量是原始超滤膜的1.82倍，同时复合膜的抗污染性能较强。孟晓荣等[14]也进行了类似研究，在臭氧活化条件下合成聚乙二醇（PEG）接枝聚偏氟乙烯（PVDF）共聚物（PVDF-g-PEG），又将共聚物与PVDF膜共混制备了超滤膜，在一定范围内，随着共聚物在共混膜中所占的比重增大，共混膜的孔隙率、纯水通量等显著增大，共混膜展现出了良好的抗蛋白质污染性能。由此可知，共混膜改性技术对于膜性能的提升很有帮助，选择合适的共混物质能够起到良好的效果，不过添加不同的共混物质所起到的作用不同，需要根据实际需求进行共混物的选择。

2.2 接枝膜改性技术

膜接枝技术是膜的表面改性技术之一，其原理是通过一定方法将能够对缓解膜污染起到积极作用的物质接枝到膜表面，从而提升膜的抗污染能力，国内外学者进行了很多有关于膜接枝改性的研究。樊凯等[15]使用了均相共辐照法，将聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）接枝到聚醚砜（PES）的分子链上，制备了改性的超滤膜材料，用该改性材料制备了PES-g-PVP 改性滤膜，与未改性处理的膜相比，改性膜的亲水性和抗污染性都得到了很好的提升。WAN等[16]通过聚合反应将羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯接枝到了聚砜膜上，结果表明，在接枝了这种两亲性聚合物后，受污染的改性膜经过清洗后其膜通量恢复程度大幅提高，取得了良好的效果。侯淑华等[17]利用 1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺（EDC/NHS）方法将碱性氨基酸赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、组氨酸（His）接枝到自制的超滤膜表面，结果表明接枝的氨基酸使得水通量增加，也使膜拥有了更加良好的抗污染性能。

彭辉等[18]以紫外光引发的巯基-炔基绿色点击化学反应接枝聚合制备改性聚偏氟乙烯复合超滤膜，结果表明进行接枝后的膜水接触角下降了25°左右，水通量提升明显。类似于此的关于超滤膜接枝改性的实验研究还有很多，总体来看对于膜的提升有很好的效果，不过每位学者所使用的接枝物都不同，尚未发现有稳定的、易于生产的、成本低其适用范围广的接枝物。

2.3 等离子体改性技术

等离子体改性技术也是改进超滤膜性能的重要方法之一，该技术可以明显提高超滤膜的亲水性和抗污染性能，延长超滤膜的使用性能，从而降低超滤膜的使用成本。有学者的研究成果表明，超滤膜经过等离子体的改性处理以后，亲水性得到了明显改善，同时抗污染性能也得到了明显的提高[19-20]。张丽巧等[21]采用低温氨等离子体对聚丙烯腈超滤膜进行了改性研究，结果表明经过改性的超滤膜水接触角明显降低，超滤膜的水通量得到明显提升，对牛血清蛋白的截留率也明显提高。李茹等[22]利用远程氩等离子体对聚偏氟乙烯超滤膜进行了改性处理研究，超滤膜经过改性后其表面的含氧、含氮基团比例升高，因此亲水性得到明显提高，模的拉伸强度也明显增强，使用经过改性处理后的膜对海藻酸钠进行处理，发现膜对海藻酸钠的去除率明显增高且膜的污染程度明显降低。樊琰等[23]使用NH3等离子体对PAN超滤膜进行了改性处理研究，结果表明PAN超滤膜的纯水通量、对BAS的截留率均明显增大，这种改性处理方法能够有效提高超滤膜的亲水性和抗污染能力。

2.4 一些其他的膜改性技术

随着对于改性膜的研究越来越深入，也出现了一些除了共混、接枝等技术以外的其他改性技术。黄小川等[24]使用原位植入的方法对聚砜超滤膜表面进行了改性处理，将TiO2纳米颗粒植入超滤膜表面，通过调节pH及TiO2浓度制备出不同TiO2覆盖率的改性聚砜超滤膜，结果发现TiO2的植入可以很好地提高膜的亲水性，还能有效提升膜的抗生物污染能力。董丹等[25]将多壁碳纳米管（MWCNTs）预涂覆在聚偏氟乙烯（PVDF）平板超滤膜上对膜进行改性处理，并用改性膜进行了处理腐殖酸的实验研究，结果表明预涂覆的改性方法要比进行吸附膜前预处理的污染缓解作用更好。李韶华等[26]在综述两性离子改进超滤膜抗污染性能的研究进展中也指出，可以使用涂层法对超滤膜进行改性处理，经过涂层法改性处理的超滤膜性能得到很大的提升。刘立言等[27]以氧化石墨烯-二氧化钛（GOT）作为亲水性改性剂，用动态过滤法对PVDF膜进行了改性处理，通过对腐殖酸、磺胺嘧啶为代表的污染物的去除实验，表明膜经过改性后能够较好地控制膜污染问题。武凌辉等[28]则采用了一种静电纺丝工艺加溶液处理方法制备了PVA/PVDF 纳米纤维复合超滤膜，在最佳的实验条件下复合膜进行了多次使用仍然具有良好的过滤性能，说明膜的抗污染能力是很好的。张越华[29]基于多巴胺自聚合的两步改性法制备了复合膜，结果表明复合膜的水接触角由71°降至35°，且膜的亲水性和水通量提高明显。侯冰倩等[30]利用群体感应抑制剂香兰素对聚丙烯腈超滤膜进行改性，制备具有抗生物污染性能的水处理膜。结果表明，香兰素改性膜可减少15.6%的水通量下降，膜表面生物膜胞外聚合物质量分数减少15.9%，抗生物污染性能有效提高。总体来说，更多的改性技术的出现有助于超滤膜技术的发展。

3 总结与展望

超滤膜技术及超滤膜在越来越多的行业和领域中得到运用，随着各方面要求的不断提高，超滤技术需要不断发展。作为目前解决膜污染的重点探究方向之一，超滤膜改性技术也一定会不断发展完善。一方面，改性的技术种类会越来越多；另一方面，现有技术也会朝着更加高效、更加绿色的方向发展。在提高膜的质量和性能的同时，在改性的过程中所产生的消耗也要尽可能减少。总之，在科技飞速发展的现在，超滤膜有关的技术也会飞速发展，超滤技术也会发挥更加重要的作用。

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