圖案化膜在不同污染類型下的抗污染性能，及研究方向進(jìn)行了展望
【上海水處理設(shè)備網(wǎng)www.esdzu.com】引 言
污水再生技術(shù)中，膜分離技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，受到廣泛關(guān)注。然而，膜污染問題始終制約著膜分離技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
膜污染會(huì)導(dǎo)致膜的性能急劇下降，大大縮短膜的使用壽命。根據(jù)已有研究，目前有許多方法可以抑制膜表面污染的加重。其中，膜改性就是一種有效的戰(zhàn)略。
以往關(guān)于膜改性的研究主要集中在化學(xué)改性上，但是化學(xué)改性方法仍受到臨時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性和可推廣性的限制。
近年來，膜外表圖案化作為一種較為新穎的物理改性方法，得到研究者們較多的關(guān)注。研究者們對(duì)圖案化膜的研究主要集中在1說明圖案化膜抗污染性能的機(jī)理；上海實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備2優(yōu)化圖案化膜的制備技術(shù)，以進(jìn)一步提升圖案化膜的抗污染性能。
本文對(duì)圖案化膜在水處理領(lǐng)域的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，論述了圖案化膜對(duì)膜外表水力學(xué)性質(zhì)的改善，總結(jié)了圖案化膜在不同污染類型下的抗污染性能，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。
文章導(dǎo)讀
圖案化膜可以在毫米、微米甚至納米尺度上形成較為規(guī)則的外表微觀形貌。一些圖案化膜的罕見圖案如圖1所示，如棱柱和金字塔圖案（圖1A 水滴、風(fēng)箏、圓和四角星等圖案（圖1B增加間隔的圖案（圖1C
此外，一些來自大自然的仿生圖案為研究者們提供了靈感，如鯊魚皮仿生圖案（圖1D由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和抑制生物污染的遜色性能，獲得了研究者們關(guān)注。事實(shí)上，這些圖案不只可以在平面膜上應(yīng)用，也可以在中空纖維膜上制造。
最近，Lyu等人通過3D打印在圖案化陶瓷膜領(lǐng)域取得了突破，進(jìn)一步拓寬了圖案化膜的應(yīng)用。隨著微觀制造技術(shù)的發(fā)展，更加精細(xì)、更加復(fù)雜的圖案有望在膜表面得到應(yīng)用。
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展！
圖1圖案化膜外表罕見圖案：A棱柱和金字塔形(Wonetal.,2012;B水滴、風(fēng)箏、圓和四角星形 Ngeneetal.,2010;C包括間隔的圖案(Zhouetal.,2021;D鯊魚皮仿生圖案(Choietal.,2018
圖案化膜傳統(tǒng)的制備方法主要依靠基于模板的微成型技術(shù)，包括溶液澆鑄技術(shù)、相分離微成型技術(shù)和納米壓印光刻技術(shù)等。
為了克服保守制備技術(shù)精確度缺乏的缺點(diǎn)，3D打印技術(shù)、噴墨打印技術(shù)和隔網(wǎng)壓印技術(shù)相繼誕生，可以制造出更為復(fù)雜的圖案構(gòu)型，并提高圖案的精確度。
近年來，研究者們嘗試了更多新穎的圖案化膜制備方法（圖2但在產(chǎn)量、資料和性能穩(wěn)定性方面有待進(jìn)一步優(yōu)化。
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展！
圖2局部新型圖案化膜制備技術(shù)示意圖：A改良后的非溶劑誘導(dǎo)相分離法(Ilyaetal.,2022;B水凝膠促進(jìn)相分離法(Asadetal.,2021;C電液動(dòng)力圖案化打印法(Heetal.,2020;D圖案化與化學(xué)改性相結(jié)合(Choietal.2016
圖案化膜主要從三個(gè)方面改善了膜表面的水力學(xué)性質(zhì)：剪切力的整體分布、堆積方向上速度場(chǎng)的不均勻性以及流動(dòng)方向上的局部湍流上海實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備（圖3
首先，無論是堆積方向還是流動(dòng)方向，圖案的存在都會(huì)導(dǎo)致膜外表剪切力發(fā)生特征性的分布（圖3A 局部剪切力在圖案的頂部區(qū)域較高，而在圖案的底部區(qū)域較低。這是由于圖案凸起局部的存在會(huì)降低進(jìn)水通道的高度，增加圖案頂端的局部速度和剪切力，使圖案化膜頂部區(qū)域的局部剪切力比平板膜高出5倍以上（Leeetal.,2013
除了剪切力分布以外，外表圖案的存在使得堆積方向上主體流和圖案區(qū)域的速度場(chǎng)分布不均勻，主體流和圖案頂部區(qū)域的速度較高，而圖案底部區(qū)域則出現(xiàn)了明顯的渦旋，同時(shí)形成了向下的滲透流線，導(dǎo)致流動(dòng)分離現(xiàn)象（主體流和圖案底部區(qū)域之間發(fā)生的不同流動(dòng)行為）呈現(xiàn)（圖3B
渦旋的形成可以阻礙污染物在圖案底部區(qū)域的堆積，但也有概率將污染物捕捉到停滯死區(qū)，使其更難被主體流帶走，這取決于渦旋流面積與滲透流面積的比例。此外，外表圖案還影響流動(dòng)方向的局部湍流。
Choi等人的模擬結(jié)果（圖3C顯示，圖案化膜使一次流（a-d和二次流（e-h得到增強(qiáng)，尤其是與線型和斷線型圖案相比，鯊魚紋圖案產(chǎn)生了更密集而強(qiáng)烈的一次流和二次流，很好地解釋了鯊魚皮仿生圖案遜色的抗污染性能。
圖3基于CFD模擬的圖案對(duì)膜外表水力學(xué)性質(zhì)的影響：A圖案化膜剪切力云圖（以棱柱型圖案化膜為例）Leeetal.,2013;B堆積方向上速度場(chǎng)及流線（以棱柱型圖案化膜為例）Wonetal.,2016;C流動(dòng)方向上的速度場(chǎng)以及不同圖案的一次流（a-d和二次流（e-h分布(Choietal.,2018
許多文獻(xiàn)通過顆粒堆積實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)圖案化膜的性能。上海純水設(shè)備大多數(shù)研究標(biāo)明圖案化膜具有更好的抗顆粒堆積能力，相比于平板膜而言具有更高的臨界通量、更低的濾餅層阻力以及更低的外表覆蓋率。
圖案化膜對(duì)顆粒的抗堆積特性主要可以從兩個(gè)方面來闡釋：膜外表水力學(xué)性質(zhì)的改善和膜外表與顆粒之間的相互作用的改變。
目前，圖案化導(dǎo)致的外表粗糙度的增加是否能增強(qiáng)抗污染性能仍存在爭(zhēng)議。一些研究者認(rèn)為，外表粗糙度的增加會(huì)加強(qiáng)圖案和顆粒之間的相互作用，進(jìn)而加速膜污染；而另一些人則認(rèn)為外表粗糙度的增加會(huì)改善膜外表水力學(xué)特性，進(jìn)而降低膜污染速率。
最近，Shang等人證明了有序的外表圖案相比于不規(guī)則的外表圖案更有利于減輕膜污染，因?yàn)橐氲挠行虼植诙饶軌虺渑嫫茐牧黧w動(dòng)力學(xué)邊境層，抑制顆粒物的堆積。
除了顆粒堆積，多數(shù)研究標(biāo)明，相比于平板膜，圖案化膜在抗有機(jī)污染（圖4無機(jī)污染（圖5生物污染（圖6方面均表示出更優(yōu)異的性能。
以最難抑制的生物污染為例，圖案化膜除了通過發(fā)生高剪切力、高流速和局部強(qiáng)化湍流使微生物在初始階段難以附著在膜表面外，還限制了微生物與膜表面的接觸面積，通過發(fā)明能量壁壘降低微生物堆積的可能性。
復(fù)合污染的研究中，圖案化膜也能顯著延緩膜通量的下降，延遲跨膜壓差的增加，減少微生物附著以及延長(zhǎng)膜組件的壽命，證明了圖案化膜在實(shí)際應(yīng)用方面具有很大的潛力。
盡管如此，大部分研究仍局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模或短周期試驗(yàn)。一方面，目前大多數(shù)圖案化膜的制備方法和設(shè)備只適用于實(shí)驗(yàn)室研究，還難以規(guī)模化生產(chǎn)。另一方面，圖案化膜的抗（生物）污染性能還沒有在長(zhǎng)周期試驗(yàn)中得到很好的驗(yàn)證。
未來，上海純水設(shè)備可以進(jìn)一步推動(dòng)圖案化膜的規(guī)模化制備和應(yīng)用，通過臨時(shí)中試運(yùn)行驗(yàn)證其抗污染性能的穩(wěn)定性。
圖4A和(C分別為過濾前平板膜和圖案化膜的SEM圖像，B和(D分別為污染后的平板膜和圖案化膜的SEM圖像；E污染后的平板膜（實(shí)線）和圖案化膜（虛線）解吸BSA UV-vi吸附曲線(Marufetal.,2013a
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展！
圖5A1g/LCaSO4水溶液（pH=7.4TMP=2.75MPaT=25±0.5℃）中，非圖案化和圖案化TFC膜在攪拌狀態(tài)下的通量與時(shí)間的關(guān)系。CaSO4過濾24小時(shí)后，非圖案化（B和圖案化（CTFC膜表面的SEM圖像(Marufetal.,2014b
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展！上海純水設(shè)備
圖6A從膜生物反應(yīng)器中取出的混合液錯(cuò)流微濾2小時(shí)和4小時(shí)后，平板膜和圖案化膜的CLSM圖像；B連續(xù)浸沒式MBR中的平板膜和圖案化膜的TMP曲線(Wonetal.,2012
總結(jié)與展望
本文對(duì)水處置領(lǐng)域圖案化膜的研究進(jìn)行了全面的綜述，主要結(jié)論如下：
1圖案化膜的外表形貌對(duì)其性能具有重要影響，而仿生圖案由于具有良好的抗污染性能獲得了越來越多的關(guān)注。除了保守的制備方法，一些新型的制備方式能夠與化學(xué)改性方法相結(jié)合，進(jìn)一步提高制備過程的分辨率和可推廣性，提升圖案化膜的性能。
2圖案的存在能夠從三個(gè)方面改善膜表面的水力學(xué)性質(zhì)：剪切力的整體分布、堆積方向速度流場(chǎng)的不均勻性、流動(dòng)方向的局部湍流。外表圖案的特征（如形狀、尺寸、間隔和粗糙度等）對(duì)于上述的水力學(xué)性質(zhì)具有重要影響，進(jìn)而會(huì)影響顆粒物的堆積行為。
3圖案化膜在一定水平上可以減輕有機(jī)污染、無機(jī)污染、生物污染及復(fù)合污染，其對(duì)抗污染性能的提升主要來源于膜外表水力學(xué)性質(zhì)的改善以及膜外表圖案與污染物之間的相互作用。
4未來的研究可以著眼于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)圖案化膜進(jìn)行定制化的開發(fā)和規(guī)模化的生產(chǎn)，驗(yàn)證圖案化膜在臨時(shí)中試條件下對(duì)實(shí)際污水處置的抗污染性能。
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