GBX接触角测试看ALD改性：2 nm氧化物层对亲水性与水处理性能的影响

GBX接触角测试看ALD改性：2 nm氧化物层对亲水性与水处理性能的影响

背景：聚砜（PSF）耐化学腐蚀、耐热且机械性能稳定，因此常用于水处理膜，尤其是中空纤维膜。问题在于，PSF本身偏疏水，污染物更容易在膜表面吸附和沉积，水渗透和长期抗污染性能都会受到影响。要改善这类膜，表面亲水化是常见思路。原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）可以在复杂三维及多孔结构上沉积厚度可控且较均匀的纳米薄层，适合用于中空纤维膜的表界面改性。

方法：研究以商业PSF中空纤维膜为基材，分别以TiCl₄、二乙基锌（DEZ）和三甲基铝（TMA）为前驱体，通过ALD沉积TiO₂、ZnO和Al₂O₃，目标厚度均约2 nm。SEM和EDX用于观察膜表面、截面形貌及元素分布，水接触角（WCA）用于判断表面润湿性。使用GBX接触角测量仪，每次用针头在膜表面滴加约0.5 μL超纯水。随后结合纯水渗透率、BSA截留率和污染恢复参数，比较不同氧化物改性后的水处理表现。

原始及TiO₂、ZnO、Al₂O₃改性PSF中空纤维膜的水接触角与水渗透率

原始PSF膜水接触角接近90°。ALD处理后，TiO₂和ZnO改性膜降至约70°，Al₂O₃改性膜约45°～46.5°。水滴更容易铺展，说明三种氧化物都提高了膜表面亲水性。TiO₂改性膜的水渗透率由约135 L·h⁻¹·m⁻²·bar⁻¹提高至约200 L·h⁻¹·m⁻²·bar⁻¹，接触角下降的同时，水传输性能也得到改善。

结果：SEM显示，约2 nm的氧化物沉积没有明显破坏PSF中空纤维膜原有表面形貌。EDX证实ZnO和Al₂O₃在膜表面沉积，同时TiO₂和ZnO在膜网络内部也有较好的分布。

水接触角把表面变化表现得更直观。原始PSF膜约90°，呈明显疏水性；TiO₂和ZnO改性后约70°，Al₂O₃降至约46.5°。只有数纳米厚的氧化物层，就已经改变了膜表面对水的润湿状态。

综合过滤数据看，TiO₂改性更均衡。其水渗透率比原始PSF膜提高约50%，BSA污染后的通量恢复率（FRR）由88%升至100%，不可逆污染率降至0%。结果就是经过水反冲洗后，膜通量基本可以恢复到污染前水平。

接触角更低，并不代表所有过滤指标都会同步改善。Al₂O₃改性膜的水接触角，但BSA截留性能有所下降。膜性能不只取决于亲水性，表面电荷、粗糙度、孔结构以及氧化物在聚合物基体中的分布同样会影响最终结果。

这项研究里，水接触角不能单独看。GBX接触角测试反映的是表面润湿性变化，再与水渗透率、BSA截留率和抗污染指标放在一起，才能看清“表面改性—润湿性—水传输—抗污染性能"之间的关系，也更方便比较不同ALD氧化物的改性效果。

结论：在PSF中空纤维膜表面沉积约2 nm的TiO₂、ZnO和Al₂O₃后，水接触角均明显下降，膜表面更亲水。三种材料中，TiO₂的综合结果更均衡：水接触角由约90°降至70°左右，水渗透率提高约50%，BSA污染后的FRR达到100%，不可逆污染率为0%。接触角测试把纳米级表面改性带来的润湿性变化直接量化出来，再和过滤性能结合，才能判断这种表面处理是否真正改善了水处理表现。

参考文献

1.Casetta J, Pochat-Bohatier C, Cornu D, Bechelany M, Miele P. Enhancing Water Treatment Performance of Porous Polysulfone Hollow Fiber Membranes through Atomic Layer Deposition[J]. Molecules, 2023, 28: 6133.

2.Casetta J, Ortiz D G, Pochat-Bohatier C, Bechelany M, Miele P. Atomic layer deposition of TiO₂ on porous polysulfone hollow fibers membranes for water treatment[J]. Separation and Purification Technology, 2023, 312: 123377.

3.Weber M, Julbe A, Ayral A, Miele P, Bechelany M. Atomic Layer Deposition for Membranes: Basics, Challenges, and Opportunities[J]. Chemistry of Materials, 2018, 30: 7368–7390.

4.Li F, Li L, Liao X, Wang Y. Precise pore size tuning and surface modifications of polymeric membranes using the atomic layer deposition technique[J]. Journal of Membrane Science, 2011, 385–386: 1–9.