[论文解读] Membrane fouling: microscopic insights into the effects of surface chemistry and roughness

Mao Wang, John Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2021

Membrane Separation Technologies参考文献 43被引用 39

一句话总结

本分子模拟研究探讨了表面化学性质与粗糙度对膜污染的影响，发现对于亲水性氧化铝膜，粗糙度增加可减少污染，这是由于污染物与表面的相互作用减弱以及脊状区域水分子结构增强所致；而对疏水性石墨烯膜，粗糙度则因污染物与表面的强吸附作用而加剧污染。研究结果表明，表面亲水性与形貌共同决定污染行为，为抗污染膜的设计提供了指导原则。

ABSTRACT

Fouling is a major obstacle and challenge in membrane-based separation processes. Caused by the sophisticated interactions between foulant and membrane surface, fouling strongly depends on membrane surface chemistry and morphology. Current studies in the field have been largely focused on polymer membranes. Herein, we report a molecular simulation study for fouling on alumina and graphene membrane surfaces during water treatment. For two foulants (sucralose and bisphenol A), the fouling on alumina surfaces is reduced with increasing surface roughness; however, the fouling on graphene surfaces is enhanced by roughness. It is unravelled that the foulant-surface interaction becomes weaker in the ridge region of a rough alumina surface, thus allowing foulant to leave the surface and reducing fouling. Such behavior is not observed on a rough graphene surface because of the strong foulant-graphene interaction. Moreover, with increasing roughness, the hydrogen bonds formed between water and alumina surfaces are found to increase in number as well as stability. By scaling the atomic charges of alumina, fouling behavior on alumina surfaces is shifted to the one on graphene surfaces. This simulation study reveals that surface chemistry and roughness play a crucial role in membrane fouling, and the microscopic insights are useful for the design of new membranes towards high-performance water treatment.

研究动机与目标

• 理解表面化学与粗糙度对膜污染微观机理的影响。
• 研究表面粗糙度如何影响氧化铝与石墨烯膜上污染物的迁移率与黏附性。
• 探讨水分子结构与氢键在亲水性表面污染缓解中的作用。
• 确定如何通过调节表面亲水性，使污染行为从氧化铝型转变为石墨烯型。
• 基于表面化学与形貌，为下一代抗污染膜提供设计准则。

提出的方法

• 在粗糙度不同（振幅 A = 0, 3, 5 Å）的平面与正弦形图案氧化铝和石墨烯表面进行了分子动力学模拟。
• 在这些表面上模拟了两种污染物——蔗糖酸酯与双酚A，以评估其迁移率与相互作用能。
• 施加谐振势沿x轴驱动污染物运动，通过均方位移（MSD）量化迁移率。
• 计算污染物与表面之间的相互作用能与接触面积，以评估黏附强度。
• 通过氢键数量统计与自相关函数分析水与氧化铝表面之间的氢键形成与稳定性。
• 通过缩放氧化铝原子电荷调节其表面亲水性，以模拟不同疏水性水平，并与石墨烯的污染行为进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面粗糙度如何影响亲水性氧化铝与疏水性石墨烯膜上污染物的迁移率与黏附性？
• RQ2 尽管表面拓扑结构相似，为何粗糙度会减少氧化铝上的污染，却加剧石墨烯上的污染？
• RQ3 水-表面氢键在增强粗糙氧化铝表面亲水性与抗污染性能方面起到何种作用？
• RQ4 氧化铝的亲水性如何影响其污染行为从光滑表面的减少污染，转变为粗糙表面的增强污染？
• RQ5 通过调节表面电荷与亲水性，能否使氧化铝上的污染行为调整为类似石墨烯的响应？

主要发现

• 在粗糙氧化铝表面，污染物在脊状区域表现出更高的迁移率与更低的黏附性，这是由于污染物-表面相互作用减弱，导致污染减少。
• 在粗糙石墨烯表面，污染物在脊状与谷状区域均保持强吸附状态，这是由于强疏水相互作用所致，导致粗糙度增加时污染加剧。
• 粗糙度增加了水-氧化铝氢键的数量与稳定性，且粗糙表面的氢键寿命更长，从而增强了表面亲水性。
• 在A5粗糙度下，污染物与氧化铝表面的接触面积在脊状区域降至零，表明污染物脱附且相互作用减弱。
• 通过降低氧化铝原子电荷缩放系数以减少其亲水性，可使污染行为从氧化铝型（粗糙度增加时污染减少）转变为石墨烯型（粗糙度增加时污染加剧），证实了表面能的关键作用。
• 模拟结果与3D打印氧化铝膜的实验观察一致，显示图案化粗糙度可减少污染，验证了模型的预测能力。