中國粉體網訊 隨著水凈化技術的發展，膜法因其分離效率高而備受關注。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際應用的巨大挑戰。因此，膜表面改性被廣泛應用于膜法的改進。
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。其中一種先進的膜表面改性方法是原子層沉積，主要用于調節膜的孔結構或表面親水性，通過對膜表面化學結構的設計，可以提高膜的截留效果，減少膜污染。
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1原子層沉積技術特點分析
原子層沉積（Atomiclayerdeposition,ALD）是一種利用連續的表面反應，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。
與傳統表面改性方法相比，ALD有以下特點：均勻、致密無孔洞；可生成極好的三維保形性化學計量薄膜，作為臺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上是共形沉積，不僅保留了膜的原始孔結構，而且達到了近100%的覆蓋率。
2原子層沉積技術原理分析
原子層沉積與普通的化學沉積有相似之處，但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學反應是直接與之前一層相關聯的，這種方式使每次反應只沉積一層原子。
一個原子層沉積周期可分為四個步驟：（1）向基底通入第一種前驅氣體，與基體表面發生吸附或反應；（2）用惰性氣體沖洗剩余氣體；（3）通入第二種前驅氣體，與吸附在基體表面的第一種前驅氣體發生化學反應生成涂層，或與第一前驅體和基體反應的生成物繼續反應生成涂層；（4）再次用沖洗氣體將多余的氣體沖走。如圖1 所示。
圖1 原子層沉積的循環過程示意圖
在每個周期中生長的薄膜厚度是一致的，通過控制生長周期的數量可以實現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。
3原子層沉積在膜改性中的應用
3.1親水性
膜表面改性的一個重要目標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，有化學惰性，難以用傳統的化學和物理手段進行表面改性。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生反應。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，同時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生難以恢復的衰減，制約了膜技術的推廣應用。膜污染主要分為無機污染、有機污染和生物污染。其中有機污染與生物污染與膜表面吸附性有關。
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，細菌的附著力減輕，有效降低了膜的生物污染。同時，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。用ALD對膜進行改性用于油水分離已逐漸受到研究界的關注。Li等人發現，對膜進行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
由于膜的多孔結構和較大表面積，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行，因此對膜材料進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，不改變膜孔結構。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出光催化降解甲基藍的性能。
4結語
ALD作為一種新型薄膜沉積方法，具有沉積溫度低，臺階覆蓋率高，所制薄膜均勻、致密無孔洞及厚度精確可控等優點，因此被廣泛應用于納米催化劑、電池、半導體器件和光學領域，且技術已比較成熟。
但該方法在膜表面改性方面仍存在一些不足，同時也為今后的研究提供了潛在的機遇。例如，由于無機物的固有剛性，ALD處理后聚合物膜的機械強度可能會降低。這一問題可以通過使用有機或有機-無機混合沉積來解決。另一個挑戰是，大多數ALD必須在高溫下進行，這可能會超過商用有機膜的聚合物熔點，破壞材料的固有屬性。對于這一問題，可以通過推動低溫ALD工藝的發展，使ALD技術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展.化工管理.2020.
【2】苗虎，等. 原子層沉積技術及應用.表面技術.2018.
（中國粉體網編輯整理/星耀）
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