原子力显微镜 (AFM) 的纳米级成像和测量功能使研究人员能够在模拟水处理条件下，从分子层面深入了解膜的形态、污垢、表面相互作用和性能。这些独特的能力使原子力显微镜在了解和优化水净化技术的核心膜和屏障方面发挥了重要作用。

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提高水处理效率： 膜分析的意义和原子力显微镜的作用
膜被广泛应用于水处理设施中，通过反渗透和膜分离实现脱盐和净化。然而，以污染物在膜表面积累为特征的膜污垢带来了巨大挑战，导致压力要求升高、清洗频繁和水质受损。

造成这种污垢的一个重要原因是微生物生物膜的形成，它会加速膜的老化。传统上，水处理厂使用化学品和反冲洗来解决膜污垢问题，但其使用的增加会缩短膜的使用寿命。

原子力显微镜（AFM）已成为膜专家不可或缺的工具，他们希望通过深入了解污垢机理来改进分离过程。这种多功能工具可捕捉相关工艺条件下膜表面的高分辨率图像，并量化污垢所涉及的附着力。

测量附着力的方法是将连接到原子力显微镜悬臂上的探针移向样品或远离样品，跟踪悬臂偏转，并利用胡克定律、弹簧常数校准和偏转灵敏度将偏转转换为力值。

由此得出的力-距离曲线提供了有关相互作用力和当地材料特性（如弹性、粘附性、硬度和表面电荷密度）的宝贵信息。这些特性表明了膜或污垢层对物理和化学过程的适应能力，较硬的聚合物表面通常会在运行和清洁周期中减少磨损。

原子力显微镜在水处理研究中的潜在应用
消毒剂对饮用水分配系统中生物膜特性的影响
饮用水输配系统中的生物膜可支持病原体的持续存在和传播，其结构和机械特性会极大地影响病原体的积累和释放。因此，了解消毒剂暴露如何影响生物膜特性，对于预测、评估和控制 DWDS 中的病原体风险至关重要。

发表在《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）上的一项研究使用球形探针进行原子力显微镜压痕测试，以估算生物膜的弹性模量。原子力显微镜分析表明，接触消毒剂一个月后，生物膜的硬度和抗脱落能力都有所提高，从而有效控制了生物膜，减少了病原体的释放。此外，该研究还强调，饮用水输水系统中的剪切应力可减少病原体的积累。

这些见解对于预测和管理输水系统中与生物膜相关的病原体传播至关重要。

表征海水淡化膜中的阻挡层
在海水淡化领域，原子力显微镜有助于了解和提高聚酰胺薄膜复合膜（关键的排盐阻挡层）的性能。

高分辨率原子力显微镜成像可详细观察聚酰胺膜的 "脊谷 "结构，帮助研究人员了解其表面形态。此外，原子力显微镜纳米压痕技术还能绘制硬度、弹性模量和附着力等重要机械性能的局部变化图。

研究人员可以利用这些信息优化膜的设计和组成，从而实现更高效、更持久的水处理过程。此外，监测聚酰胺在接触消毒剂期间的降解和损坏情况有助于确保海水淡化预处理系统的可靠性和有效性，从而促进更清洁、更安全的饮用水生产。

测量胶体粒子与薄膜的粘附力
原子力显微镜可以研究材料与膜之间的相互作用，特别是在使用带有微球的胶体探针来模拟污物时。这种技术有助于评估膜的抗污垢能力以及污垢与膜之间的粘合强度，从而帮助膜改性以提高抗污垢能力。

通过表面改性微球，可以制造出模拟污物与膜相互作用的探针，从而为了解这些相互作用提供宝贵的信息。例如，羧化乳胶颗粒探针复制了细菌细胞与污损膜的相互作用，而钙离子则在细胞外聚合物物质（EPS）污损的情况下产生吸引力。这些探针还能评估改良膜的抗污能力，揭示错综复杂的静电和疏水相互作用。

这些改性探针有助于在分子水平上了解膜污垢，从而能够开发抗污垢膜、优化清洁程序以及水处理中的定制预处理过程。这有助于改善水质，提高水处理方法的可持续性。

斯旺西大学的原子力显微镜增强膜研究： 创新可持续水处理和工业解决方案
斯旺西大学的研究人员是将原子力显微镜应用于过程工程中的膜分离技术的先驱，在膜优化过程中取得了重大进展，并应用于食品加工、水处理和医药等行业。他们的工作以严谨的研究为基础，不仅改进了膜工艺和质量，还在国际范围内带来了经济、社会、环境和健康效益。

该大学的研究重点是通过原子力显微镜利用和增强新型膜技术，优化水处理工艺，使其比蒸发等替代方法更具吸引力。

Axium Process 是威尔士的一家中小型企业，在全球膜和过滤技术领域占有重要地位。该公司专门从事卫生工程设计和制造，利用斯旺西大学的优化研究来开发和实施水处理膜系统。这项合作为 Axium Process 带来了 100 万英镑的收益，并为当地制造业创造了高薪就业机会。

另一个显著的影响是 First Milk，该公司根据斯旺西的研究成果，投资 300 万英镑用于反渗透膜技术，每年可节省 50 多万英镑，并提高了乳清质量。由于 First Milk 向全球供应奶酪、牛奶和配料，因此其影响遍及全球。

除了商业利益之外，这项研究还通过改进水和废水处理工艺对社会和环境产生了积极影响。例如，他们对膜堵塞和创新性膜改性技术的研究改进了用于洁净水生产的纳滤技术。这包括通过水纳米公司基于紫外线引发的接枝聚合膜改性技术，开发用于海湾地区海水淡化和家庭用水的膜系统。

前进之路
原子力显微镜通过在生理化学相关条件下进行纳米级表征，为水处理膜研究提供了巨大价值。高速原子力显微镜、多参数成像、尖端功能化和流体细胞等技术的不断进步，使人们有望更深入地了解膜与污物的相互作用。

将原子力显微镜与其他技术和计算机建模相结合，可以全面了解膜界面，推动下一代水处理膜的发展。

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作者：Owais Ali