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二甲基亚砜在反渗透膜中的作用
1. 二甲基亚砜(DMSO)基本性质
1.1 化学结构与物理特性
二甲基亚砜（DMSO），化学名为Dimethyl sulfoxide，分子式为(CH3)2SO，是一种含硫有机化合物。DMSO在常温下是一种无色无臭的透明液体，具有高极性、高沸点和良好的热稳定性。作为一种非质子溶剂，DMSO能够与水混溶，并且能够溶解大多数有机物和一些无机盐。
物理特性方面，DMSO的沸点为189°C，熔点为18.4°C，密度为1.100g/mL（20°C时），折射率为1.479（20°C时），闪点为192°F。DMSO的蒸汽压在20°C时为0.42 mm Hg，蒸汽密度为2.7（相对于空气）。这些物理特性使得DMSO在工业应用中具有广泛的用途，尤其是在作为溶剂和反应介质时。
DMSO的化学结构由两个甲基和一个硫原子以及一个氧原子组成，硫原子有一对非键合电子，这使得分子具有高极性。这种结构赋予了DMSO独特的溶解能力和渗透性，使其能够溶解极性和非极性化合物，成为许多有机反应中的通用溶剂。
在反渗透膜的应用中，DMSO的这些物理和化学特性尤为重要。研究表明，DMSO作为添加剂可以显著影响聚酰胺反渗透膜的性能。添加DMSO后，选择性PA层被成功激活，其水通量增加，同时保持高的NaCl排斥率。DMSO的添加导致PA层活化，引起结构变形，从而影响膜的孔径和分离性能。具体来说，添加DMSO的膜显示出更粗糙的表面和更亲水的特性，这表现为较小的水接触角和较大的表面固液界面自由能（-ΔGSL）值。这些特性使得DMSO在提高反渗透膜的水通量和保持脱盐能力方面发挥了重要作用。
2. DMSO在反渗透膜制备中的应用
2.1 界面聚合法中的作用
在反渗透膜的制备过程中，界面聚合（IP）是一种常用的方法，通过这种方法可以形成具有高水通量和良好脱盐性能的聚酰胺（PA）薄膜复合反渗透膜。DMSO在界面聚合法中起到了关键作用，它作为添加剂可以显著改善膜的性能。
研究表明，DMSO与均苯三甲酰氯（TMC）之间的偶极-偶极相互作用能够增加界面处的TMC浓度，从而提高反应速率。这种相互作用导致扩散势垒迅速形成，降低了有源层的厚度和粗糙度，从而制备出更薄的PA层。此外，DMSO的存在还降低了交联度，这一点通过未反应的酰氯基团在界面上的变化得到证实。
在界面聚合过程中，DMSO的添加还改变了PA层的形态特征和性能，显示出PA层活化引起的结构变形，从而影响膜的孔径和分离性能。具体来说，添加DMSO后，PA层的水通量增加到41.7 L/m^2h，同时保持了高达95.7%的NaCl排斥率[1]。
2.2 对膜性能的影响
DMSO对反渗透膜性能的影响是多方面的。首先，DMSO的添加导致PA层结构变形，从而改变了膜的孔径和分离性能。这种结构变形使得膜具有更粗糙的表面和更亲水的特性，这表现为较小的水接触角和较大的表面固液界面自由能（-ΔGSL）值。
此外，DMSO作为极性非质子溶剂，增强了4-二甲基氨基吡啶（DMAP）的亲核性，有效去除PA层表面残留物，削弱其空间效应，从而增强膜的渗透性[3]。DMSO和DMAP的协同作用可以实现3.95 L m^-2 h^-1 bar^-1的高透水性，并保持R NaCl >= 98.47%，相比未添加DMSO的膜，NaCl的排斥率仅下降了0.78%。
DMSO的添加还显著影响了薄膜复合材料（TFC）RO膜的性能。与不使用DMSO和甘油制造的MPD/TMC膜相比，MPD/TMC/DMSO/甘油膜具有更粗糙的表面和更亲水的特性，显示出较小的水接触角和较大的-ΔGSL值。在不降低脱盐能力的情况下，MPD/TMC/DMSO/甘油膜的水通量显着大于MPD/TMC膜的水通。
综上所述，DMSO在反渗透膜的制备和性能改善中发挥了重要作用，通过改变PA层的结构和表面特性，提高了膜的水通量和脱盐性能，为制造高性能反渗透膜提供了一种有效的途径。
3. DMSO对反渗透膜性能的具体影响
3.1 水通量提升机制
DMSO作为添加剂在反渗透膜制备中的水通量提升机制主要体现在以下几个方面：
- 结构变形引起的孔径变化：DMSO的加入导致聚酰胺(PA)层的结构变形，这种变形影响了膜的孔径。研究表明，添加DMSO后，PA层的水通量增加到41.7 L/m^2h，这一变化归因于PA层活化引起的结构变形。
- 表面粗糙度和表面积增加：原子力显微镜（AFM）显示，DMSO通过减小两种不混溶溶液的溶解度差异增加了水相和有机相的混溶性，从而导致表面粗糙度和表面积增加，这有助于提高水通量。
- 自由体积特性的改变：正电子湮没寿命谱（PALS）研究结果表明，DMSO的添加可以增加网络孔的尺寸和数量，这些孔的半径分别为2.1-2.4 Å（网络孔）和3.5-4.5 Å（聚集毛孔），从而显著提高水通量。
- 协同作用的效果：DMSO和甘油的协同作用在界面聚合过程中对膜结构的影响导致了水通量的增加。MPD/TMC/DMSO/甘油膜的水通量显著大于MPD/TMC膜的水通量，这一现象归因于DMSO和甘油在界面聚合过程中对膜结构的协同作用。
3.2 脱盐性能维持
DMSO对反渗透膜脱盐性能的维持主要体现在以下几个方面：
- 高盐排斥率的保持：尽管DMSO的添加显著提高了水通量，但NaCl的排斥率仍然保持在95.7%的高水平，这表明DMSO处理的膜在提高水通量的同时，能够维持高的脱盐性能[1]。
- 结构-性能关系的优化：DMSO的添加通过改变PA层的结构，优化了膜的分离性能。这种结构变形不仅提高了水通量，而且维持了对NaCl的高排斥率，从而在不牺牲脱盐性能的前提下提高了膜的渗透性。
- 抗污染性能的提升：DMSO和DMAP的协同作用可实现高透水性，并保持NaCl的高排斥率。这种协同作用有助于减少PA层表面残留物，削弱其空间效应，从而增强膜的渗透性和抗污染性能。
- 商业膜性能的提升：使用优化的DMSO/水活化方案活化的所有商业膜也表现出显着增强的水渗透性，而NaCl截留率保持不变甚至更高，超越了传统的渗透率-选择性权衡。
综上所述，DMSO在反渗透膜中的应用不仅提升了水通量，而且维持了脱盐性能，这为制造高性能反渗透膜提供了一种有效的策略。
4. DMSO与其他添加剂的协同效应
4.1 与甘油的协同作用
DMSO与甘油的协同作用在反渗透膜的制备中表现出显著的效果。研究表明，当DMSO与甘油共同作为添加剂时，它们能够共同影响聚酰胺反渗透膜的结构和性能。
- 水通量的增加：DMSO和甘油的协同作用导致MPD/TMC/DMSO/甘油膜的水通量显著大于MPD/TMC膜的水通量。这种协同效应使得膜在保持脱盐能力的同时，水通量得到了显著提升。
- 表面特性的改善：DMSO和甘油的添加使得膜表面变得更加粗糙和亲水，这表现在较小的水接触角和较大的表面固液界面自由能（-ΔGSL）值。这种表面特性的改善有助于提高膜的水通量。
- 结构变形的促进：DMSO和甘油的协同作用在界面聚合过程中对膜结构的影响导致了水通量的增加。这种结构变形不仅提高了水通量，而且维持了对NaCl的高排斥率，从而在不牺牲脱盐性能的前提下提高了膜的渗透性。
4.2 对膜结构的共同影响
DMSO与其他添加剂，如甘油，共同作用于反渗透膜时，对膜结构的影响是多方面的，这些影响共同决定了膜的性能。
- 孔径和分离性能的改变：DMSO和甘油的添加导致PA层结构变形，这种变形影响了膜的孔径和分离性能。具体来说，添加DMSO和甘油后，PA层的水通量增加，同时保持了高达95.7%的NaCl排斥率。
- 膜表面粗糙度的增加：通过原子力显微镜（AFM）观察，DMSO和甘油的添加通过减小两种不混溶溶液的溶解度差异增加了水相和有机相的混溶性，从而导致表面粗糙度和表面积增加，这有助于提高水通量。
- 自由体积特性的改善：正电子湮没寿命谱（PALS）研究结果表明，DMSO和甘油的添加可以增加网络孔的尺寸和数量，这些孔的半径分别为2.1-2.4 Å（网络孔）和3.5-4.5 Å（聚集毛孔），从而显著提高水通量。
- 抗污染性能的提升：DMSO和DMAP的协同作用可实现高透水性，并保持NaCl的高排斥率。这种协同作用有助于减少PA层表面残留物，削弱其空间效应，从而增强膜的渗透性和抗污染性能。
综上所述，DMSO与其他添加剂的协同效应在反渗透膜的制备中起到了重要作用，通过改善膜结构和表面特性，提高了膜的水通量和脱盐性能，为制造高性能反渗透膜提供了有效的策略。
5. 总结
5.1 DMSO在反渗透膜中的关键作用
本研究综合分析了二甲基亚砜（DMSO）在反渗透膜制备和性能优化中的关键作用。DMSO作为一种极性非质子溶剂，通过改变聚酰胺（PA）层的结构和表面特性，显著提高了反渗透膜的水通量，同时保持了高的脱盐性能。具体来说，DMSO的添加导致PA层结构变形，增加了膜的孔径，改善了表面粗糙度和亲水性，从而提高了水通量。此外，DMSO的存在还降低了PA层的交联度，进一步增强了膜的渗透性。
5.2 DMSO对膜性能的具体影响
DMSO对反渗透膜性能的影响是多方面的。首先，DMSO的添加显著提高了水通量，如研究所示，添加DMSO后PA层的水通量增加到41.7 L/m^2h，同时保持了高达95.7%的NaCl排斥率[1]。其次，DMSO的添加改善了膜的表面特性，如较小的水接触角和较大的表面固液界面自由能（-ΔGSL）值，这些特性的改善有助于提高水通量[4]。最后，DMSO的添加还提升了膜的抗污染性能，减少了PA层表面残留物，削弱了其空间效应，从而增强了膜的渗透性和抗污染性能。
5.3 DMSO与其他添加剂的协同效应
DMSO与其他添加剂，如甘油的协同作用在反渗透膜的制备中表现出显著的效果。这种协同作用不仅提高了水通量，而且维持了高的脱盐性能，改善了膜的表面特性，增加了表面粗糙度和亲水性[4]。此外，DMSO和甘油的添加还改善了膜的自由体积特性，增加了网络孔的尺寸和数量，从而显著提高了水通量。
5.4 实际应用意义
DMSO在反渗透膜中的应用不仅提升了水通量，而且维持了脱盐性能，这为制造高性能反渗透膜提供了一种有效的策略。这种策略的实际应用意义在于，它可以帮助减少水处理过程中的能量消耗，提高水处理效率，同时降低膜污染的风险，延长膜的使用寿命。因此，DMSO的应用对于提高反渗透技术在水处理领域的应用潜力具有重要意义。
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