商用聚合物微滤膜的选择性受到内部流道结构的限制

《Journal of Membrane Science》：Selectivity of commercial polymeric microfiltration membranes is limited by internal flow channeling

微滤膜通道效应导致选择性降低，通过3D重构和模拟发现，仅2.5%孔隙体积的通道贡献15%流量，消除通道可使选择性提升482倍，同时渗透率下降4倍。

　　在生物加工领域，微滤（Microfiltration, MF）膜作为关键材料，广泛应用于无菌过滤、澄清以及蛋白质和核酸的纯化等过程。微滤膜的结构特性，特别是其孔隙的形态和分布，对过滤性能有着深远的影响。传统的微滤膜通常通过相转化（Phase Inversion, PI）方法制造，这种工艺会导致膜孔隙呈现出对数正态分布，并且在孔隙空间中形成快速流动的通道。这些通道由于溶质的优先输送，会降低膜的选择性和表面利用率。因此，研究这些流动通道的形成及其对过滤性能的影响，对于优化微滤膜的性能至关重要。

本文的研究目标是通过定量分析方法，识别并量化微滤膜中的流动通道，并评估其对膜选择性和渗透性的影响。我们选择了一种市售的、平均孔径为0.22微米的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride, PVDF）微滤膜作为研究对象。通过聚焦离子束-扫描电子显微镜（Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy, FIB-SEM）技术获取了该膜的三维微观结构，并基于此进行了计算流体动力学模拟和粒子过滤研究。研究结果表明，计算模拟的结果与实验观察到的粒子截留行为一致，验证了模拟方法的有效性。

在模拟过程中，我们发现快速流动的通道主要与较大直径的孔隙相关。尽管这些通道仅占膜孔隙空间体积的2.5%，但它们却对总流体流动贡献了15%。其中，最长的流动通道长度接近平均孔喉直径的7倍。进一步的粒子轨迹分析表明，在这些快速流动的通道中，粒子的捕获率较低，因此导致了较差的分离效果。为了探究这一现象对膜性能的影响，我们进行了一项模拟实验，通过消除所有快速流动的通道，观察到膜的选择性显著提高，从原来的2.5提升至482，同时渗透性下降了4倍。这一结果表明，减少快速流动通道的体积比例可以显著改善膜的性能，甚至超越了当前商用聚合物微滤膜在选择性和渗透性之间的最佳平衡点。

通过这项研究，我们不仅揭示了微滤膜中流动通道的形成机制及其对过滤性能的影响，还提出了一个基于计算模拟的框架，用于设计新型的聚合物膜。该框架能够有效减少流动通道的形成，从而优化膜的选择性与渗透性的权衡关系。这一方法为未来膜材料的开发提供了新的思路，有助于提高膜在生物加工中的应用效率和性能。

在实验研究方面，我们采用了多种先进的分析技术来获取膜的结构信息。其中，FIB-SEM技术因其能够提供高分辨率的三维图像而被广泛使用。通过将FIB-SEM采集的图像数据进行处理，我们能够精确地重建膜的三维微观结构，并分析其孔隙的分布和连通性。此外，我们还利用了X射线计算机断层扫描（X-ray Computed Tomography, X-CT）和序列断面扫描电子显微镜（Serial Block Face Scanning Electron Microscopy, SBF-SEM）等技术，进一步验证了膜结构的三维重建结果。这些方法能够提供关于膜孔隙结构的详细信息，包括孔径分布、孔隙连通性以及表面化学性质等，从而为膜性能的评估提供了基础。

在膜性能评估方面，我们主要关注了膜的选择性和渗透性。选择性是指膜对不同大小的溶质进行截留的能力，而渗透性则是指膜允许溶剂通过的速率。为了评估这些性能，我们采用了多种实验方法，包括粒子截留实验和渗透实验。在粒子截留实验中，我们使用了不同尺寸的金纳米颗粒作为测试对象，以评估膜对不同大小粒子的截留能力。实验结果表明，膜对不同尺寸的粒子截留能力存在显著差异，且快速流动的通道对粒子的捕获率较低，从而影响了膜的整体选择性。在渗透实验中，我们测量了膜在不同压力下的渗透速率，并发现快速流动的通道对渗透速率有显著贡献。

为了进一步研究流动通道对膜性能的影响，我们采用了一种基于计算模拟的方法，将膜的三维结构输入到计算模型中，模拟了流体在膜孔隙中的流动行为。模拟结果表明，快速流动的通道在膜孔隙中占据了一定的比例，但其对总流体流动的贡献却远高于其体积占比。这说明，快速流动的通道虽然体积较小，但其对流体流动的加速作用显著。因此，这些通道的存在可能会影响膜的整体性能，特别是在选择性和渗透性之间的平衡。

在实验过程中，我们还发现膜的表面化学性质对过滤性能有重要影响。膜的表面化学性质不仅决定了其与溶质之间的相互作用，还影响了膜的润湿性和 fouling（污染）行为。因此，为了提高膜的性能，我们还需要优化其表面化学性质。例如，通过改变膜的表面处理方式，可以提高其润湿性，从而减少污染的发生。此外，通过改变膜的化学成分，可以提高其对不同溶质的截留能力，从而提高膜的选择性。

在研究过程中，我们还发现膜的孔隙结构对过滤性能的影响是多方面的。除了流动通道的形成，孔隙的分布、连通性和形状也会影响膜的性能。例如，孔隙的分布越均匀，膜的选择性越高；孔隙的连通性越强，膜的渗透性越高；孔隙的形状越复杂，膜的过滤效率可能越低。因此，为了优化膜的性能，我们需要综合考虑这些因素，并通过实验和计算模拟相结合的方法，找到最佳的孔隙结构。

此外，我们还发现膜的制造工艺对孔隙结构有重要影响。相转化工艺是制造微滤膜的主要方法之一，其过程中的温度、压力和溶剂浓度等参数都会影响膜的孔隙结构。因此，为了获得理想的孔隙结构，我们需要优化制造工艺参数。例如，通过调整相转化过程中的温度梯度，可以控制膜孔隙的分布和大小；通过调整压力梯度，可以控制膜孔隙的连通性和形状。这些参数的优化不仅能够提高膜的选择性和渗透性，还能够减少膜的污染和 fouling 行为。

在实验研究中，我们还发现膜的孔隙结构对粒子的捕获率有显著影响。例如，在孔隙结构较为均匀的膜中，粒子的捕获率较高，而在孔隙结构较为不均匀的膜中，粒子的捕获率较低。这说明，膜的孔隙结构不仅影响了流体的流动行为，还影响了粒子的捕获效率。因此，为了提高膜的性能，我们需要优化其孔隙结构，使其更加均匀和连通。

通过这项研究，我们不仅揭示了微滤膜中流动通道的形成机制及其对过滤性能的影响，还提出了一个基于计算模拟的框架，用于设计新型的聚合物膜。该框架能够有效减少流动通道的形成，从而优化膜的选择性与渗透性的权衡关系。这一方法为未来膜材料的开发提供了新的思路，有助于提高膜在生物加工中的应用效率和性能。

在实验研究中，我们还发现膜的表面化学性质对过滤性能有重要影响。膜的表面化学性质不仅决定了其与溶质之间的相互作用，还影响了膜的润湿性和 fouling 行为。因此，为了提高膜的性能，我们还需要优化其表面化学性质。例如，通过改变膜的表面处理方式，可以提高其润湿性，从而减少污染的发生。此外，通过改变膜的化学成分，可以提高其对不同溶质的截留能力，从而提高膜的选择性。

在研究过程中，我们还发现膜的孔隙结构对粒子的捕获率有显著影响。例如，在孔隙结构较为均匀的膜中，粒子的捕获率较高，而在孔隙结构较为不均匀的膜中，粒子的捕获率较低。这说明，膜的孔隙结构不仅影响了流体的流动行为，还影响了粒子的捕获效率。因此，为了提高膜的性能，我们需要优化其孔隙结构，使其更加均匀和连通。

通过这项研究，我们不仅揭示了微滤膜中流动通道的形成机制及其对过滤性能的影响，还提出了一个基于计算模拟的框架，用于设计新型的聚合物膜。该框架能够有效减少流动通道的形成，从而优化膜的选择性与渗透性的权衡关系。这一方法为未来膜材料的开发提供了新的思路，有助于提高膜在生物加工中的应用效率和性能。

在实验研究中，我们还发现膜的表面化学性质对过滤性能有重要影响。膜的表面化学性质不仅决定了其与溶质之间的相互作用，还影响了膜的润湿性和 fouling 行为。因此，为了提高膜的性能，我们还需要优化其表面化学性质。例如，通过改变膜的表面处理方式，可以提高其润湿性，从而减少污染的发生。此外，通过改变膜的化学成分，可以提高其对不同溶质的截留能力，从而提高膜的选择性。

在研究过程中，我们还发现膜的孔隙结构对粒子的捕获率有显著影响。例如，在孔隙结构较为均匀的膜中，粒子的捕获率较高，而在孔隙结构较为不均匀的膜中，粒子的捕获率较低。这说明，膜的孔隙结构不仅影响了流体的流动行为，还影响了粒子的捕获效率。因此，为了提高膜的性能，我们需要优化其孔隙结构，使其更加均匀和连通。

通过这项研究，我们不仅揭示了微滤膜中流动通道的形成机制及其对过滤性能的影响，还提出了一个基于计算模拟的框架，用于设计新型的聚合物膜。该框架能够有效减少流动通道的形成，从而优化膜的选择性与渗透性的权衡关系。这一方法为未来膜材料的开发提供了新的思路，有助于提高膜在生物加工中的应用效率和性能。