基于掃描電鏡的反滲透基膜孔徑測(cè)量方法研究

李 旭，任玲玲，高思田，夏建中，況 武

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院納米新材料計(jì)量研究所，北京 100029；2.北京碧水源膜科技有限公司，北京 101407）

基于掃描電鏡的反滲透基膜孔徑測(cè)量方法研究

李 旭1，任玲玲1，高思田1，夏建中2，況 武2

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院納米新材料計(jì)量研究所，北京 100029；2.北京碧水源膜科技有限公司，北京 101407）

文章使用濺射鍍膜儀對(duì)反滲透基膜進(jìn)行噴金處理，探索最佳噴金參數(shù)，改善樣品導(dǎo)電性；使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和Image J軟件對(duì)膜樣的孔徑進(jìn)行測(cè)量分析。研究結(jié)果表明：噴金處理對(duì)反滲透基膜的掃描電鏡圖像質(zhì)量具有重要影響，噴金處理既要能夠改善樣品表面導(dǎo)電性，又要避免金薄膜覆蓋樣品的原始形貌。最佳噴金參數(shù)為：濺射距離55mm，濺射電流15mA，濺射時(shí)間10 s。三種反滲透基膜中，1＃和2＃樣品中，6.5 nm到10 nm孔徑的數(shù)量分別為68.8%和58.1%；3＃樣品中小于或等于10 nm孔徑的數(shù)量為19.7%，大于10 nm孔徑的數(shù)量為80.3%。高分辨掃描電鏡成像和Image J軟件，結(jié)合最佳噴金處理，能夠?qū)Ψ礉B透基膜幾納米到幾十納米孔徑進(jìn)行有效測(cè)量。

反滲透基膜；噴金處理；導(dǎo)電性；掃描電鏡；孔徑

近年來，膜分離技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油、水處理、食品工業(yè)、海水淡化等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，各種類型的膜過濾包括微濾、納濾、反滲透等有了很大的發(fā)展［1～4］。在膜的各種性能中，人們最關(guān)心的是膜的分離性能和通量，膜的分離性能好，通量大，意味著分離效果好，生產(chǎn)能力大［5～8］。由于分離膜性能和通量都與膜孔孔徑和孔分布有關(guān)，而且對(duì)于反滲透膜，基膜的孔徑和孔分布決定了脫鹽層的完整性及性能，所以對(duì)反滲透基膜的孔徑及其分布進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量就顯得尤為重要。

目前，如何精確快速地測(cè)量反滲透基膜孔徑仍然是研究者尚在探索中的問題。掃描電子顯微鏡是一種可用于反滲透基膜表面形貌和孔徑表征的設(shè)備，可以很好地用于膜表面、斷面的形貌觀察、孔徑測(cè)量和成分分析［9～11］。由于反滲透基膜是各種基質(zhì)構(gòu)成的聚合物材料，導(dǎo)電性差。因此利用掃描電鏡觀察反滲透基膜形貌的最關(guān)鍵問題是膜樣的制備，因?yàn)椴徽_的制樣方法會(huì)導(dǎo)致無法獲得反滲透基膜的高質(zhì)量形貌圖像，膜樣品制備的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是噴金增強(qiáng)導(dǎo)電性處理。電鏡樣品的導(dǎo)電性，對(duì)圖像的質(zhì)量和清晰度具有非常重要的影響，如果樣品導(dǎo)電性不好，表面會(huì)發(fā)生“荷電”現(xiàn)象［12，13］，無法獲得清晰圖像。

反滲透基膜屬于有機(jī)高分子化合物，導(dǎo)電性很差，因此，首先要解決反滲透基膜樣品的導(dǎo)電性問題。本文對(duì)反滲透基膜進(jìn)行噴金處理試驗(yàn)，探索合適的噴金參數(shù)，為獲得反滲透基膜的高質(zhì)量掃描電鏡圖像創(chuàng)造條件。此外，對(duì)于反滲透基膜孔徑的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)方法，也需深入研究。本文使用Image J軟件對(duì)孔徑進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)用的三種樣品為北京碧水源膜科技有限公司生產(chǎn)的商用反滲透基膜，編號(hào)為 1＃、2＃、3＃。使用Leica EM SCD500濺射鍍膜儀對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，金靶材純度為99.99%，濺射距離為55 mm，濺射電流為 15 mA，濺射時(shí)間分別為 0 s、5 s、10 s、15 s。使用Zeiss Ultra 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)反滲透基膜的孔隙形貌進(jìn)行觀察，加速電壓為2 kV，工作距離為2 mm，放大倍率為15萬倍。使用Image J軟件對(duì)反滲透基膜的孔徑進(jìn)行測(cè)量和分析。

2 結(jié)果與討論

圖1是1＃樣品在不同濺射時(shí)間處理后的掃描電鏡圖像。從圖中可看出，樣品未噴金處理時(shí)表面“荷電”非常嚴(yán)重，襯度不均勻，拍攝的圖像完全失真。經(jīng)5 s噴金處理后，樣品表面導(dǎo)電性得到改善，襯度較均勻，但導(dǎo)電性仍未達(dá)到較好狀態(tài)，圖像漂移嚴(yán)重。經(jīng)10 s噴金處理后，樣品表面導(dǎo)電性非常好，孔隙清晰可見，襯度非常均勻，圖像無漂移。經(jīng)15 s噴金處理后，樣品表面導(dǎo)電性非常好，襯度均勻，圖像無漂移，但樣品表面僅有少量直徑較大的孔隙，研究表明，這些孔隙是金原子在形成“島狀”和“網(wǎng)絡(luò)狀”薄膜過程中而產(chǎn)生的，反滲透基膜的大部分孔隙已經(jīng)被金薄膜覆蓋［14，15］。上述結(jié)果表明，噴金參數(shù)對(duì)孔徑的掃描電鏡圖像質(zhì)量具有重要影響。

圖1 1＃樣品在不同濺射時(shí)間的掃描電鏡圖像

圖2 是三種反滲透基膜樣品經(jīng)10 s噴金處理后表面的掃描電鏡圖像。從圖中可以看出，1＃樣品的孔徑非常小，從幾納米到十幾納米，孔隙密度（單位面積內(nèi)的孔隙數(shù)量）非常大。2＃樣品的孔徑較1＃樣品稍大，孔徑主要集中在十幾納米左右，孔隙密度稍微減小。3＃樣品的孔徑顯著增大，主要分布在十幾納米到幾十納米，孔隙密度最小，表面起伏和粗糙度顯著增大?？傮w來看，三個(gè)樣品經(jīng)10 s噴金處理后表面導(dǎo)電性良好，沒有發(fā)生“荷電”現(xiàn)象。同時(shí)，三個(gè)樣品的孔隙都清晰可見，沒有被濺射下來的金薄膜掩蓋，這說明所選用的噴金參數(shù)合適，既增強(qiáng)了樣品表面的導(dǎo)電性，又沒有改變樣品的原始形貌。

圖2 反滲透基膜表面的掃描電鏡圖像

使用Image J軟件對(duì)三種樣品的掃描電鏡圖像進(jìn)行孔徑測(cè)量和分析，數(shù)量百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。1＃樣品的孔徑非常小，6.5 nm到10 nm孔徑的數(shù)量百分比為68.8%，10 nm到18.5 nm孔徑的數(shù)量百分比為31.2%?？傮w來看，2＃樣品的孔徑較1＃樣品稍大，6.5 nm到10 nm孔徑的數(shù)量百分比為58.1%，10 nm到19.5 nm孔徑的數(shù)量百分比為41.9%。3＃樣品的孔徑顯著增大，6.5 nm到10 nm孔徑的數(shù)量百分比為19.7%，10 nm到20 nm孔徑的數(shù)量百分比為48.4%，20 nm到42 nm孔徑的數(shù)量百分比為31.9%。測(cè)量結(jié)果表明：從1＃到3＃樣品，孔徑顯著增大，且大孔徑的數(shù)量百分比增大。

圖3 反滲透基膜表面的孔徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 論

噴金處理對(duì)反滲透基膜的掃描電鏡圖像質(zhì)量具有重要影響，噴金處理既要能改善樣品表面導(dǎo)電性，又要避免金薄膜覆蓋樣品的原始形貌。使用Leica EM SCD500濺射鍍膜儀對(duì)反滲透基膜樣品進(jìn)行噴金處理的最佳參數(shù)為：濺射距離55 mm，濺射電流15 mA，濺射時(shí)間10 s。對(duì)三種反滲透基膜樣品的孔徑測(cè)量結(jié)果表明：1＃和2＃樣品中，6.5 nm到10 nm孔徑的數(shù)量分別為68.8%和58.1%；3＃樣品中小于或等于10 nm孔徑的數(shù)量為19.7%，大于10 nm孔徑的數(shù)量為80.3%。高分辨掃描電鏡成像和Image J軟件，結(jié)合最佳噴金處理，能夠?qū)Ψ礉B透基膜幾納米到幾十納米孔徑進(jìn)行有效測(cè)量。

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Study of the Pore Diameter M easurement of Reverse Osmotic Basement M embrane Based on Scanning Electron M icroscope

LIXu1，REN Ling-ling1，GAO Si-tian1，XIA Jian-zhong2，KUANGWu2
（1.Division of Nano Metrology and MaterialsMeasurement，National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Beijing OriginWater Membrane Technology Co.，Ltd.，Beijing 101407，China）

In this work，sputter-coater instrument is used to carry out spray-gold treatment on reverse osmotic basement membranes in order to explore optimum spray-gold parameters and improve the conductivity of specimens.Field-emission scanning electron microscope（SEM）and Image J software are employed to measure and analyze the pore diameter of membranes.The results showed that the spray-gold treatment exert an important influence on the SEM image quality of reverse osmotic basementmembranes.The spray-gold treatmentmust improve the conductivity of specimen surface，and not cover the original appearance of specimens due to the deposition of gold film.The optimum parameters of spray-gold treatment are：sputtering distance of55 mm，sputtering current of15 mA，sputtering time of 10 s.In the No.1 and No.2 reverse osmotic basementmembranes，the amount percent of6.5～10 nm pore diameter are respectively 68.8%and 58.1%.In the No.3 reverse osmotic basementmembrane，the amount percent of pore diameter of less than or equal to 10 nm is 19.7%and that ofmore than 10 nm is 80.3%.The pore diameter of a few nanometers to tens of nanometers on the surface of reverse osmotic basementmembrane can be effectivelymeasured by using high-resolution SEM and Image J software in combination with optimum spray-gold treatment.

reverse osmotic basementmembrane；spray-gold treatment；conductivity；SEM；pore diameter

TG146

A

1003－5540（2017）06－0046－03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFF0204300）中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（31－AKYCX1611）

李 旭（1986－），男，助理研究員，主要從事電鏡計(jì)量技術(shù)研究工作。

2017－10－17