基于扫描电镜的反渗透基膜孔径测量方法研究

李 旭，任玲玲，高思田，夏建中，况 武

（1.中国计量科学研究院纳米新材料计量研究所，北京 100029；2.北京碧水源膜科技有限公司，北京 101407）

基于扫描电镜的反渗透基膜孔径测量方法研究

李 旭1，任玲玲1，高思田1，夏建中2，况 武2

（1.中国计量科学研究院纳米新材料计量研究所，北京 100029；2.北京碧水源膜科技有限公司，北京 101407）

文章使用溅射镀膜仪对反渗透基膜进行喷金处理，探索最佳喷金参数，改善样品导电性；使用场发射扫描电镜和Image J软件对膜样的孔径进行测量分析。研究结果表明：喷金处理对反渗透基膜的扫描电镜图像质量具有重要影响，喷金处理既要能够改善样品表面导电性，又要避免金薄膜覆盖样品的原始形貌。最佳喷金参数为：溅射距离55mm，溅射电流15mA，溅射时间10 s。三种反渗透基膜中，1＃和2＃样品中，6.5 nm到10 nm孔径的数量分别为68.8%和58.1%；3＃样品中小于或等于10 nm孔径的数量为19.7%，大于10 nm孔径的数量为80.3%。高分辨扫描电镜成像和Image J软件，结合最佳喷金处理，能够对反渗透基膜几纳米到几十纳米孔径进行有效测量。

反渗透基膜；喷金处理；导电性；扫描电镜；孔径

近年来，膜分离技术在医药工业、化学工业、石油、水处理、食品工业、海水淡化等领域有了广泛的应用，各种类型的膜过滤包括微滤、纳滤、反渗透等有了很大的发展［1～4］。在膜的各种性能中，人们最关心的是膜的分离性能和通量，膜的分离性能好，通量大，意味着分离效果好，生产能力大［5～8］。由于分离膜性能和通量都与膜孔孔径和孔分布有关，而且对于反渗透膜，基膜的孔径和孔分布决定了脱盐层的完整性及性能，所以对反渗透基膜的孔径及其分布进行准确测量就显得尤为重要。

目前，如何精确快速地测量反渗透基膜孔径仍然是研究者尚在探索中的问题。扫描电子显微镜是一种可用于反渗透基膜表面形貌和孔径表征的设备，可以很好地用于膜表面、断面的形貌观察、孔径测量和成分分析［9～11］。由于反渗透基膜是各种基质构成的聚合物材料，导电性差。因此利用扫描电镜观察反渗透基膜形貌的最关键问题是膜样的制备，因为不正确的制样方法会导致无法获得反渗透基膜的高质量形貌图像，膜样品制备的一个关键环节就是喷金增强导电性处理。电镜样品的导电性，对图像的质量和清晰度具有非常重要的影响，如果样品导电性不好，表面会发生“荷电”现象［12，13］，无法获得清晰图像。

反渗透基膜属于有机高分子化合物，导电性很差，因此，首先要解决反渗透基膜样品的导电性问题。本文对反渗透基膜进行喷金处理试验，探索合适的喷金参数，为获得反渗透基膜的高质量扫描电镜图像创造条件。此外，对于反渗透基膜孔径的测量和统计方法，也需深入研究。本文使用Image J软件对孔径进行测量和统计分析。

1 试 验

试验用的三种样品为北京碧水源膜科技有限公司生产的商用反渗透基膜，编号为 1＃、2＃、3＃。使用Leica EM SCD500溅射镀膜仪对样品进行喷金处理，金靶材纯度为99.99%，溅射距离为55 mm，溅射电流为 15 mA，溅射时间分别为 0 s、5 s、10 s、15 s。使用Zeiss Ultra 55场发射扫描电镜对反渗透基膜的孔隙形貌进行观察，加速电压为2 kV，工作距离为2 mm，放大倍率为15万倍。使用Image J软件对反渗透基膜的孔径进行测量和分析。

2 结果与讨论

图1是1＃样品在不同溅射时间处理后的扫描电镜图像。从图中可看出，样品未喷金处理时表面“荷电”非常严重，衬度不均匀，拍摄的图像完全失真。经5 s喷金处理后，样品表面导电性得到改善，衬度较均匀，但导电性仍未达到较好状态，图像漂移严重。经10 s喷金处理后，样品表面导电性非常好，孔隙清晰可见，衬度非常均匀，图像无漂移。经15 s喷金处理后，样品表面导电性非常好，衬度均匀，图像无漂移，但样品表面仅有少量直径较大的孔隙，研究表明，这些孔隙是金原子在形成“岛状”和“网络状”薄膜过程中而产生的，反渗透基膜的大部分孔隙已经被金薄膜覆盖［14，15］。上述结果表明，喷金参数对孔径的扫描电镜图像质量具有重要影响。

图1 1＃样品在不同溅射时间的扫描电镜图像

图2 是三种反渗透基膜样品经10 s喷金处理后表面的扫描电镜图像。从图中可以看出，1＃样品的孔径非常小，从几纳米到十几纳米，孔隙密度（单位面积内的孔隙数量）非常大。2＃样品的孔径较1＃样品稍大，孔径主要集中在十几纳米左右，孔隙密度稍微减小。3＃样品的孔径显著增大，主要分布在十几纳米到几十纳米，孔隙密度最小，表面起伏和粗糙度显著增大。总体来看，三个样品经10 s喷金处理后表面导电性良好，没有发生“荷电”现象。同时，三个样品的孔隙都清晰可见，没有被溅射下来的金薄膜掩盖，这说明所选用的喷金参数合适，既增强了样品表面的导电性，又没有改变样品的原始形貌。

图2 反渗透基膜表面的扫描电镜图像

使用Image J软件对三种样品的扫描电镜图像进行孔径测量和分析，数量百分比统计结果如图3所示。1＃样品的孔径非常小，6.5 nm到10 nm孔径的数量百分比为68.8%，10 nm到18.5 nm孔径的数量百分比为31.2%。总体来看，2＃样品的孔径较1＃样品稍大，6.5 nm到10 nm孔径的数量百分比为58.1%，10 nm到19.5 nm孔径的数量百分比为41.9%。3＃样品的孔径显著增大，6.5 nm到10 nm孔径的数量百分比为19.7%，10 nm到20 nm孔径的数量百分比为48.4%，20 nm到42 nm孔径的数量百分比为31.9%。测量结果表明：从1＃到3＃样品，孔径显著增大，且大孔径的数量百分比增大。

图3 反渗透基膜表面的孔径统计结果

3 结 论

喷金处理对反渗透基膜的扫描电镜图像质量具有重要影响，喷金处理既要能改善样品表面导电性，又要避免金薄膜覆盖样品的原始形貌。使用Leica EM SCD500溅射镀膜仪对反渗透基膜样品进行喷金处理的最佳参数为：溅射距离55 mm，溅射电流15 mA，溅射时间10 s。对三种反渗透基膜样品的孔径测量结果表明：1＃和2＃样品中，6.5 nm到10 nm孔径的数量分别为68.8%和58.1%；3＃样品中小于或等于10 nm孔径的数量为19.7%，大于10 nm孔径的数量为80.3%。高分辨扫描电镜成像和Image J软件，结合最佳喷金处理，能够对反渗透基膜几纳米到几十纳米孔径进行有效测量。

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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

国家重点研发计划（2016YFF0204300）中国计量科学研究院基本科研业务费项目（31－AKYCX1611）

李 旭（1986－），男，助理研究员，主要从事电镜计量技术研究工作。

2017－10－17