中國粉體網(wǎng)訊 隨著水凈化技術(shù)的發(fā)展，膜法因其分離效率高而備受關(guān)注。然而，由于膜污染造成的低截留率和膜通量的降低仍然是其實(shí)際應(yīng)用的巨大挑戰(zhàn)。因此，膜表面改性被廣泛應(yīng)用于膜法的改進(jìn)。
目前有許多膜表面改性方法，包括等離子體處理、表面浸涂、表面接枝、界面組合、表面沉積等。其中一種先進(jìn)的膜表面改性方法是原子層沉積，主要用于調(diào)節(jié)膜的孔結(jié)構(gòu)或表面親水性，通過對膜表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以提高膜的截留效果，減少膜污染。
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1原子層沉積技術(shù)特點(diǎn)分析
原子層沉積（Atomiclayerdeposition,ALD）是一種利用連續(xù)的表面反應(yīng)，通過原子層控制在各種基底上共形沉積薄膜的方法。顧名思義，它本質(zhì)上是原子的，可以在原子尺度上精確地在選定的襯底表面沉積薄膜。
與傳統(tǒng)表面改性方法相比，ALD有以下特點(diǎn)：均勻、致密無孔洞；可生成極好的三維保形性化學(xué)計(jì)量薄膜，作為臺(tái)階覆蓋和納米孔材料的涂層；薄膜生長可在低溫（室溫到400℃）下進(jìn)行；可簡單精確地控制薄膜厚度；廣泛適用于不同形狀的基底； 此外，ALD在膜等高度彎曲的基質(zhì)上是共形沉積，不僅保留了膜的原始孔結(jié)構(gòu)，而且達(dá)到了近100%的覆蓋率。
2原子層沉積技術(shù)原理分析
原子層沉積與普通的化學(xué)沉積有相似之處，但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學(xué)反應(yīng)是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只沉積一層原子。
一個(gè)原子層沉積周期可分為四個(gè)步驟：（1）向基底通入第一種前驅(qū)氣體，與基體表面發(fā)生吸附或反應(yīng)；（2）用惰性氣體沖洗剩余氣體；（3）通入第二種前驅(qū)氣體，與吸附在基體表面的第一種前驅(qū)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成涂層，或與第一前驅(qū)體和基體反應(yīng)的生成物繼續(xù)反應(yīng)生成涂層；（4）再次用沖洗氣體將多余的氣體沖走。如圖1 所示。
圖1 原子層沉積的循環(huán)過程示意圖
在每個(gè)周期中生長的薄膜厚度是一致的，通過控制生長周期的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)對薄膜厚度的精確控制。因此，原子層沉積是一種精密可控的薄膜生長技術(shù)。
3原子層沉積在膜改性中的應(yīng)用
3.1親水性
膜表面改性的一個(gè)重要目標(biāo)是控制膜表面的潤濕性，如對低表面能材料（如聚四氟乙烯和聚丙烯）制成的膜的親水性改善。這些材料具有非極性疏水表面，有化學(xué)惰性，難以用傳統(tǒng)的化學(xué)和物理手段進(jìn)行表面改性。ALD為這些材料提供了一種潛在親水改性方法，因其可以直接在基體上形成共形沉積層，使材料具有親水性，而不需要與底層膜表面發(fā)生反應(yīng)。聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯膜等常見膜的親水性也在ALD處理后增強(qiáng)，同時(shí)膜的通量和截留率也得到提高。
3.2抗污染性
膜污染將造成膜分離性能和滲透通量發(fā)生難以恢復(fù)的衰減，制約了膜技術(shù)的推廣應(yīng)用。膜污染主要分為無機(jī)污染、有機(jī)污染和生物污染。其中有機(jī)污染與生物污染與膜表面吸附性有關(guān)。
特定的污染物和特定的金屬氧化物表面之間的特定相互作用決定了附著和污垢的容易程度。ALD處理后的膜由于表面親水性的提高，細(xì)菌的附著力減輕，有效降低了膜的生物污染。同時(shí)，因膜表面親水性提高，表面更易包覆極性分子，對油類等非極性分子的抗污染性能也顯著增強(qiáng)。用ALD對膜進(jìn)行改性用于油水分離已逐漸受到研究界的關(guān)注。Li等人發(fā)現(xiàn)，對膜進(jìn)行ZnO層沉積后，膜對牛血清白蛋白(BSA)和海藻酸鈉(SA)的吸附性降低。
3.3分離選擇性
由于膜的多孔結(jié)構(gòu)和較大表面積，膜可以用作催化劑和吸附劑的支撐材料。吸附和催化均在膜表面上進(jìn)行，因此對膜材料進(jìn)行表面功能化有利于膜性能的提升。和其他功能化方法相比，ALD工藝是共形沉積，不改變膜孔結(jié)構(gòu)。Chen等人在氧化鋁膜上沉積TiO2和Pt，Pt/TiO2膜在紫外光下均表現(xiàn)出光催化降解甲基藍(lán)的性能。
4結(jié)語
ALD作為一種新型薄膜沉積方法，具有沉積溫度低，臺(tái)階覆蓋率高，所制薄膜均勻、致密無孔洞及厚度精確可控等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于納米催化劑、電池、半導(dǎo)體器件和光學(xué)領(lǐng)域，且技術(shù)已比較成熟。
但該方法在膜表面改性方面仍存在一些不足，同時(shí)也為今后的研究提供了潛在的機(jī)遇。例如，由于無機(jī)物的固有剛性，ALD處理后聚合物膜的機(jī)械強(qiáng)度可能會(huì)降低。這一問題可以通過使用有機(jī)或有機(jī)-無機(jī)混合沉積來解決。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，大多數(shù)ALD必須在高溫下進(jìn)行，這可能會(huì)超過商用有機(jī)膜的聚合物熔點(diǎn)，破壞材料的固有屬性。對于這一問題，可以通過推動(dòng)低溫ALD工藝的發(fā)展，使ALD技術(shù)更適用各種材料改性的需求。
參考來源：
【1】黃萌.原子層沉積對膜材料改性的研究進(jìn)展.化工管理.2020.
【2】苗虎，等. 原子層沉積技術(shù)及應(yīng)用.表面技術(shù).2018.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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