通过低温射频等离子体放电对聚砜膜进行功能化处理，以实现高效的水包油乳液分离

《Surfaces and Interfaces》：Functionalization of polysulfone membranes via low-temperature RF plasma discharge for efficient oil-in-water emulsion separation

聚砜膜经低温射频氮等离子处理可显著提升抗污性，接触角降低25%，XPS证实引入极性基团，渗透通量增加4.7倍且可完全恢复，Hermia模型揭示滤饼形成机制，临界压力理论计算验证表面改性效果，长期老化测试显示良好可重复性。

　　本研究探讨了通过低温射频氮气等离子体放电对聚砜（PSF）膜进行表面处理，以提高其在油水分离过程中的抗污染性能。PSF膜因其良好的热稳定性、化学耐受性和机械强度，广泛应用于多种压力驱动操作，如果汁澄清、蛋白质纯化和工业废水处理。然而，PSF膜的固有疏水性常常导致过滤过程中的污染问题。污染的发生源于溶质与膜表面之间的强相互作用，特别是在疏水膜表面，水分子与膜之间的弱界面氢键作用降低了排斥水化力，从而促进了溶质如天然有机物、蛋白质、油和泥沙在膜表面的附着，造成孔道堵塞和污染层的形成。随着时间推移，污染会降低膜的渗透通量，增加操作压力，并导致膜频繁更换。

为了减少污染，人们尝试了多种表面改性技术，如涂层、接枝聚合和等离子体处理，以赋予膜表面亲水功能。亲水表面的污染减少现象归因于膜与水之间的强相互作用，这在过滤过程中形成了水化层，作为物理屏障，减少溶质与膜之间的界面相互作用，从而降低溶质的附着和沉积，提高抗污染性能。在这些改性技术中，等离子体处理因其无需化学试剂、操作简便、对膜结构影响较小等优势，成为一种广泛应用的表面改性方法。等离子体处理可以在不破坏膜整体性能的前提下，对膜表面进行有效修饰，从而提高其亲水性和抗污染能力。

在本研究中，研究人员采用了低温射频（RF）等离子体放电对PSF膜进行处理，以增强其表面亲水性并提高抗污染性能。在等离子体处理过程中，膜与等离子体的相互作用包括功能化、蚀刻、沉积和交联等过程。这些过程受多种因素影响，如处理气体类型、操作功率和处理时间。本研究中选择氮气作为处理气体，因为氮气可以引入多种亲水官能团，如腈基、亚胺基、酰胺基和氨基，从而增强膜表面的亲水性。同时，通过控制处理功率和时间，研究人员确保了等离子体处理对膜表面的蚀刻程度较低，从而保持膜孔径的完整性。

为了评估等离子体处理对膜性能的影响，研究人员进行了不同操作条件下的处理实验。处理后的膜在不同时间点被评估其接触角的变化，以判断其表面亲水性的改善程度。实验结果显示，在100 W功率下处理15分钟的膜，其接触角在45天的储存后降低了约25%，从大约80°降低至大约60°。这一变化表明，等离子体处理有效提高了膜的表面亲水性，从而增强了其抗污染能力。此外，研究人员还发现，在常温储存的膜表现出更高的疏水性恢复能力，相较于在水下储存的膜，这一特性更为显著。

为了进一步验证等离子体处理对膜表面结构的影响，研究人员使用了扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术对膜进行分析。SEM图像显示，等离子体处理后的膜表面发生了明显的蚀刻现象，而膜的底部部分保持不变。AFM分析则表明，膜表面粗糙度在等离子体处理后增加了约33%。这些结果表明，等离子体处理不仅改变了膜的表面化学性质，还对其物理结构产生了显著影响，从而提高了其抗污染性能。

在评估膜的抗污染性能时，研究人员采用了批次过滤实验，使用合成的油水乳液作为测试材料。实验结果显示，经过射频等离子体处理的膜在过滤过程中表现出显著的渗透通量提升，约为未处理膜的4.7倍，同时其通量下降幅度减少了约5%，并且在过滤后能够实现通量的完全恢复，而保持油的截留率不变。这些结果表明，等离子体处理有效改善了膜的抗污染能力，使其在油水分离过程中具有更高的效率和稳定性。

为了更深入地理解膜污染机制，研究人员应用了Hermia模型对过滤实验中的通量数据进行分析。Hermia模型能够揭示膜污染过程中可能形成的污染层类型，如滤饼层的形成。实验结果显示，等离子体处理后的膜在过滤过程中形成了滤饼层，而未处理膜则表现出不同的污染机制。这表明，等离子体处理对膜的污染行为产生了显著影响，有助于更好地理解膜在油水分离过程中的性能变化。

此外，研究人员还使用了扩散-反应模型来验证等离子体处理后膜的疏水性恢复情况。该模型能够帮助研究人员理解膜在长时间储存后的性能变化，以及等离子体处理对膜表面化学性质的长期影响。通过结合水下接触角分析和膜孔径测量，研究人员理论上评估了等离子体处理对油滴穿透膜孔所需临界压力的影响。这一分析有助于更全面地理解膜在油水分离过程中的性能变化，并为优化等离子体处理参数提供理论依据。

在实际应用中，研究人员还对等离子体处理后的膜进行了可重复使用性测试，评估其在七个月储存后的性能变化。实验结果显示，等离子体处理后的膜在长时间储存后仍然保持良好的抗污染性能，表明其具有较高的稳定性和可重复使用性。这一发现对于推动等离子体处理技术在实际废水处理中的应用具有重要意义。

综上所述，本研究通过低温射频氮气等离子体处理对PSF膜进行了有效的表面改性，显著提高了其表面亲水性和抗污染能力。处理后的膜在过滤过程中表现出更高的渗透通量和更好的通量恢复能力，同时保持油的截留率不变。这些结果表明，等离子体处理是一种有效的、环境友好的表面改性技术，能够在不破坏膜整体性能的前提下，提高其在油水分离过程中的效率和稳定性。此外，本研究还通过多种分析方法，如SEM、AFM和微CT成像，对膜的表面结构和污染机制进行了详细研究，为优化等离子体处理参数和提高膜性能提供了理论依据和实验支持。