原子力显微镜AFM在膜污染及清洗研究中的应用

原子力显微镜(AFM)的基本原理、工作模式,叙述了AFM在无机、有机及生物膜污染和不同清洗环境下的机理研究中的应用.AFM因其具有高分辨率成像及工作环境多样等优点,在膜科学领域已经得到广泛应用.AFM与其他分析技术相结合，可深层阐释膜污染及清洗机理，从而实现优化膜清洗方案，提高膜清洗效率.在未来的研究中，AFM的强大分析测量功能，将使其在开发改变膜表面特性的膜材料，尤其是提高抗污性丝新膜材料领域发挥巨大作用，从而有力地推动膜科学迅速发展.

膜技术在饮用水净化、海水淡化和苦咸水脱盐等领域有着十分广泛的应用前景冋。尤其是通过膜技术对污水进行回用，在极大程度上解决了当今世界面临的水资源短缺问题叫目前，常用的膜技术包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)和正渗透(FO)等。

尽管膜技术日趋成熟，但膜污染仍是限制其推广应用的主要因素。膜污染是指过滤液中的污泥絮体、胶体粒子、溶解性有机物或无机盐类，由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜面吸附与沉积，或在膜孔内吸附造成膜孔径变小或堵塞，使水通过膜的阻力增加、过滤性下降，从而使膜通量下降或跨膜压差升高的现象叫膜污染会降低膜性能，减少膜的使用寿命，提高运行成本⑴叫若能对污染制定相适应的膜清洗方案，可有效去除膜表面污垢，使膜性能在一定程度上有所恢复，从而实现膜系统的长期稳定运行。

目前用来表征膜污染的设备有很多,包括电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、耗散型石英晶体微天平(QCMD)及原子力显微镜(AFM)等曲叭其中AFM因其空间分辨率高、实验对象广泛、制样过程简单、实验环境多样的优点而被广泛应用。

AFM在膜污染及清洗的研究中,主要应用于:1)表征污染及清洗前后膜表面的三维形貌;2)检测膜与膜污垢以及膜污垢本身之间的作用力;3)探究在不同清洗剂环境下，膜污垢之间的作用力。图2为AFM在有机膜污染机理研究中的应用耳24•乳探针包覆不同材料,如竣酸改性孚IM(CML)、腐殖酸(HA)、牛血清白蛋白(BSA)等;膜材质，如聚醯砚(PES)、醋酸纤维素(CA)、聚酰胺(PA)等;有机污垢，如HA、胞外聚合物(EPS)、BSA等；2价离子，如Ca2+、Mg+等。

AFM测量膜表面与污垢或污垢间的相互作用力时，所使用的探针需特别制备，一般可将相应的膜污垢包覆在探针表面，使之与膜或膜上污垢接触。在测量膜表面与污垢间作用力时，也可用相应膜材料对探针进行包覆。AFM可检测各种材质的膜，包括CA膜、PA膜等未经污染的原始膜，也可用于研究表面受到不同类型污染的膜列。相互作用力的测定须在流动池中进行，探针接近膜样品直至完全接触,然后远离，便可获得探针与膜样品在接近和远离过程中作用力随距离变化曲线〔2妙1。一般选择远离过程曲线来反映膜与污垢之间的相互作用力。AFM适用于各种水环境，因此它还可以用于测量不同清洗剂环境下,探针与膜表面的相互作用。