【上海水處理設備網www.esdzu.com】引 言

污水再生技術中，膜分離技術具有良好的應用前景，受到廣泛關注。然而，膜污染問題始終制約著膜分離技術的進一步發展。

膜污染會導致膜的性能急劇下降，大大縮短膜的使用壽命。根據已有研究，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略。

以往關于膜改性的研究主要集中在化學改性上，但是化學改性方法仍受到臨時化學穩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注。研究者們對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理；上海實驗室純水設備2優化圖案化膜的制備技術，以進一步提升圖案化膜的抗污染性能。

本文對圖案化膜在水處理領域的研究進行了系統的梳理，論述了圖案化膜對膜外表水力學性質的改善，總結了圖案化膜在不同污染類型下的抗污染性能，并對未來的研究方向進行了展望。

文章導讀

圖案化膜可以在毫米、微米甚至納米尺度上形成較為規則的外表微觀形貌。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由于其獨特的結構和抑制生物污染的遜色性能，獲得了研究者們關注。事實上，這些圖案不只可以在平面膜上應用，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域取得了突破，進一步拓寬了圖案化膜的應用。隨著微觀制造技術的發展，更加精細、更加復雜的圖案有望在膜表面得到應用。

圖案化膜在膜污染和應用領域取得突破性進展！

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

圖案化膜傳統的制備方法主要依靠基于模板的微成型技術，包括溶液澆鑄技術、相分離微成型技術和納米壓印光刻技術等。

為了克服保守制備技術精確度缺乏的缺點，3D打印技術、噴墨打印技術和隔網壓印技術相繼誕生，可以制造出更為復雜的圖案構型，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但在產量、資料和性能穩定性方面有待進一步優化。

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圖2局部新型圖案化膜制備技術示意圖：A改良后的非溶劑誘導相分離法(Ilyaetal.,2022;B水凝膠促進相分離法(Asadetal.,2021;C電液動力圖案化打印法(Heetal.,2020;D圖案化與化學改性相結合(Choietal.2016

圖案化膜主要從三個方面改善了膜表面的水力學性質：剪切力的整體分布、堆積方向上速度場的不均勻性以及流動方向上的局部湍流上海實驗室純水設備（圖3

首先，無論是堆積方向還是流動方向，圖案的存在都會導致膜外表剪切力發生特征性的分布（圖3A 局部剪切力在圖案的頂部區域較高，而在圖案的底部區域較低。這是由于圖案凸起局部的存在會降低進水通道的高度，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域的速度場分布不均勻，主體流和圖案頂部區域的速度較高，而圖案底部區域則出現了明顯的渦旋，同時形成了向下的滲透流線，導致流動分離現象（主體流和圖案底部區域之間發生的不同流動行為）呈現（圖3B

渦旋的形成可以阻礙污染物在圖案底部區域的堆積，但也有概率將污染物捕捉到停滯死區，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方向的局部湍流。

Choi等人的模擬結果（圖3C顯示，圖案化膜使一次流（a-d和二次流（e-h得到增強，尤其是與線型和斷線型圖案相比，鯊魚紋圖案產生了更密集而強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模擬的圖案對膜外表水力學性質的影響：A圖案化膜剪切力云圖（以棱柱型圖案化膜為例）Leeetal.,2013;B堆積方向上速度場及流線（以棱柱型圖案化膜為例）Wonetal.,2016;C流動方向上的速度場以及不同圖案的一次流（a-d和二次流（e-h分布(Choietal.,2018

許多文獻通過顆粒堆積實驗評價圖案化膜的性能。上海純水設備大多數研究標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。

圖案化膜對顆粒的抗堆積特性主要可以從兩個方面來闡釋：膜外表水力學性質的改善和膜外表與顆粒之間的相互作用的改變。

目前，圖案化導致的外表粗糙度的增加是否能增強抗污染性能仍存在爭議。一些研究者認為，外表粗糙度的增加會加強圖案和顆粒之間的相互作用，進而加速膜污染；而另一些人則認為外表粗糙度的增加會改善膜外表水力學特性，進而降低膜污染速率。

最近，Shang等人證明了有序的外表圖案相比于不規則的外表圖案更有利于減輕膜污染，因為引入的有序粗糙度能夠充沛破壞流體動力學邊境層，抑制顆粒物的堆積。

除了顆粒堆積，多數研究標明，相比于平板膜，圖案化膜在抗有機污染（圖4無機污染（圖5生物污染（圖6方面均表示出更優異的性能。

以最難抑制的生物污染為例，圖案化膜除了通過發生高剪切力、高流速和局部強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，通過發明能量壁壘降低微生物堆積的可能性。

復合污染的研究中，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膜組件的壽命，證明了圖案化膜在實際應用方面具有很大的潛力。

盡管如此，大部分研究仍局限于實驗室規模或短周期試驗。一方面，目前大多數圖案化膜的制備方法和設備只適用于實驗室研究，還難以規模化生產。另一方面，圖案化膜的抗（生物）污染性能還沒有在長周期試驗中得到很好的驗證。

未來，上海純水設備可以進一步推動圖案化膜的規模化制備和應用，通過臨時中試運行驗證其抗污染性能的穩定性。  

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（實線）和圖案化膜（虛線）解吸BSA UV-vi吸附曲線(Marufetal.,2013a

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圖5A1g/LCaSO4水溶液（pH=7.4TMP=2.75MPaT=25±0.5℃）中，非圖案化和圖案化TFC膜在攪拌狀態下的通量與時間的關系。CaSO4過濾24小時后，非圖案化（B和圖案化（CTFC膜表面的SEM圖像(Marufetal.,2014b

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圖6A從膜生物反應器中取出的混合液錯流微濾2小時和4小時后，平板膜和圖案化膜的CLSM圖像；B連續浸沒式MBR中的平板膜和圖案化膜的TMP曲線(Wonetal.,2012

總結與展望

本文對水處置領域圖案化膜的研究進行了全面的綜述，主要結論如下：

1圖案化膜的外表形貌對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注。除了保守的制備方法，一些新型的制備方式能夠與化學改性方法相結合，進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方面改善膜表面的水力學性質：剪切力的整體分布、堆積方向速度流場的不均勻性、流動方向的局部湍流。外表圖案的特征（如形狀、尺寸、間隔和粗糙度等）對于上述的水力學性質具有重要影響，進而會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污染、無機污染、生物污染及復合污染，其對抗污染性能的提升主要來源于膜外表水力學性質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際的應用場景，對圖案化膜進行定制化的開發和規模化的生產，驗證圖案化膜在臨時中試條件下對實際污水處置的抗污染性能。

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