等离子体聚合制备反渗透复合膜影响因素研究

马毓淑，陈 欣

（兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070）

我国淡水资源紧缺，淡化海水、苦咸水已成为解决水资源短缺的必经之路。反渗透技术由于具有高效率，能耗低，操作维护方便等优点，是目前淡化海水、苦咸水最经济有效的方法[1]。

等离子体是物质第四态[2]，因其正负电荷带电粒子基本相等，故称其为等离子体。一般可分为热平衡等离子体和低温等离子体。热平衡等离子体电子温度与离子温度相同且很高，在此温度下，一般的有机化合物和聚合物均被裂解，难以生成聚合物，故而常用于生成耐高温无机物质。低温等离子体也称为非平衡等离子体，其电子温度和离子温度相差巨大,能生成稳定的聚合物，故而常用于等离子体聚合。低温等离子体一般可由辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电和射频放电等方法生成[3～4]。

1 等离子体聚合

等离子体聚合[5～6]是近年来迅速发展起来的一种新型聚合方法,是由高能电子激发产生的各种活性化学粒子与其他分子或原子进行反应，也可以通过自身的异构化、重排等获得的。一般的聚合反应是分子过程,而等离子体聚合是原子间重新组合形成新共价键的原子过程。与常规聚合相比，其不强制要求单体具有不饱和单元或两种以上的特征官能团，拓展了单体的种类；且聚合物膜为具有可控的高度交联的网状结构的无孔薄膜，对基体的黏着性、化学稳定性、热稳定性和机械强度都很好；聚合过程中不使用溶剂，环保且操作灵活方便。因此，等离子体聚合在制备各种新型功能膜领域得到了广泛应用。

2 等离子体聚合制备反渗透复合膜影响因素

1）能量耦合方式。不同耦合方式所生成聚合物的聚合规律不同。Yasuda观察到使用电容耦合放电时，沉积速率在一定放电功率范围内随着功率的增加而增加。一般在相同的反应条件下电感耦合的沉积速率一般略高于电容耦合[7～8]。

2） 放电功率。潘长江等[9]表明沉积速率随着功率的增加而增加。许颂临等[10]在实验中观察到放电功率较小时，等离子体中高能粒子浓度随功率增加而增加，有利于激发电离单体分子，进而加速聚合。当放电功率增加到一定值，虽然高能粒子浓度的增加会导致活性中心的增加，使沉积速率加快，但一些表面聚合物会在高能粒子的轰击下解离为气相产物，直到聚合解离平衡，因此沉积速率不再改变。

3）单体压力。其他条件不变时，沉积速率随着单体压力的增加而增加，并在达到最大值后开始下降。这是因为聚合速率受到反应区中单体浓度和粒子能量的限制。当功率固定时，粒子的平均能量较高，但碰撞概率较小，因此聚合速率较低。随着压力的增加，单体浓度增加，速率增加。当达到最大值后，随着压力的增加，颗粒的平均能量、活性和聚合速率降低。潘长江等[9]表示随着压力的增大,流量增加，沉积速率增加。许颂临等[10]表明单体压力的大小对产物形态的影响明显。单体压力较小时,聚合产物均呈膜状,但当压力过大时,除薄膜之外还有粉末出现。

4）单体反应温度。许颂临等[11]表示聚合物的沉积速率随着反应温度的升高而降低。如果将等离子体视为理想气体，根据分子运动理论可以得出单位时间内单体分子与单位面积衬底 (壁)之间的碰撞数Z与T-1/2成正比，即：

其中α取决于反应物分子的质量和气体压力。碰撞频率直接决定了反应速度的快慢，这表明高温不利于表面聚合。

5）单体流速。一般来说，当单体流速低时，聚合速率随单体流速的增加而增加。单体流速较高时，聚合速率随单体流速的增加而降低[12]。微孔固体薄膜只能在高真空和高单体流速下获得。

6）聚合时间。许颂临等[10]在实验中得到聚合物膜的厚度随聚合时间延长而加厚，呈线性关系。鲁潇等[13]在表明聚合量随着聚合时间的增长而增加，因为实验中单体持续供应，聚合时间的增长可使聚合单体分子不断被激发，裂解并聚合。

7）单体性质。许颂临等[11]在实验中表明，只有含氮化合物，尤其是烯胺、杂环胺、芳香胺、芳香杂环化合物、脂肪胺和腈，才能在等离子体聚合中形成具有良好反渗透特性的聚合物膜。潘长江等[9]在实验中得到，与正丙醇相比，丙烯醇的结构中含有容易形成活性自由基的C=＝C双键,且等离子体易使双键打开形成加速聚合的自由基，故而其沉积速率大于正丙醇的沉积速率。

3 结语

等离子体聚合因为其聚合单体可以是任何有机物，乃至无机物，生成的聚合物膜交联度、机械强度、化学稳定性和热稳定性均较好，聚合工艺简单环保，这就使得其在高性能反渗透复合膜制备方面具有很大的潜力[14～15]。但目前我国对等离子体聚合的成膜机理方面研究较弱，聚合单体种类较少，膜制备工艺、膜结构及性能评价技术落后，导致膜产品性能偏低、产品单一、适应性差、应用面窄。今后，我国需从以上个各方面对等离子体聚合制备高性能反渗透复合膜方向进行加强、改进及优化。