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膜技术前沿

孔阻塞污染Pore blockage fouling不利于超滤ultrafiltration (UF)效率。体积电子显微镜技术，可用于研究孔阻塞污染的纳米机制。

近日，清华大学Da Sheng，曲久辉院士，刘锐平团队联合澳大利亚昆士兰大学张西旺院士在Nature Communications上发文，开发了一种聚焦离子束-扫描电子显微镜focused ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEM)断层扫描策略，三维重构了陶瓷膜孔内的有机污垢积聚行为。

聚焦离子束-扫描电子显微镜FIB-SEM，实现了2×2×5纳米³的体素分辨率。高分辨率成像清晰地揭示了陶瓷超滤膜的三层结构，并捕捉到了孔堵塞污染的动态演变过程。顶层和中间层之间的界面，成为初始膜污染的主要部位。这种局部通道收缩，使理论水渗透率降低了76.5%，直接解释了初始通量的快速下降。晶格玻尔兹曼Boltzmann模拟表明，多层膜结构产生流动停滞区。接近零的流速触发污染物积聚，阐明了孔隙堵塞机制。

三维重建和压力分布分析表明，物理反冲洗能有效去除孔隙堵塞污垢，但在下一个运行周期的初始阶段，污染又会迅速重新积聚。该研究为三层陶瓷超滤膜的孔堵塞污染提供了重要的见解，并为指导抗污染膜的设计提供了理论依据。

Reconstruction and analysis of pore blockage fouling in ceramic ultrafiltration membranes through FIB-SEM.

陶瓷超滤膜孔道堵塞污染的FIB-SEM重构与分析

图1| 基于FIB-SEM断层技术的重建陶瓷膜示意性工作流程。

图2| 陶瓷膜结构的结构参数化。

图3| 不同尺寸的有机污染物，对CM15膜的污染特性。

图4| 在CM15上的DEX800结垢过程（0分钟、2分钟、4分钟和30分钟）输水通道的三维重建与孔隙网络模拟。

图5| 初始阶段溶液跨膜传输的流体动力学分析超滤阶段。

图6| 物理反冲洗过程中的膜污染特征。

实验采用截留分子量为15 kDa的陶瓷超滤膜（CM15），以不同分子量的右旋糖酐（DEX）、右旋糖酐-牛血清白蛋白复合物及聚苯乙烯纳米颗粒作为模型污染物。通过错流过滤系统进行污堵实验，并利用FIB-SEM进行序列切片成像（分辨率达2×2×5 nm³），结合深度学习图像分割技术，完成膜结构及污染物的三维重建。进一步通过孔网络模型和晶格玻尔兹曼模拟，解析流速分布与污染积累的关系。

原标题：《曲久辉院士领衔！清华大学，陶瓷多孔材料-超滤膜污染 | Nature Communications》